Brevet FR2905977A3 — publié le 20080321

FR 2905977 A3 20080321 FR 0608197 A 20060919 1 L'invention concerne un nouveau conduit d'échappement d'axe central A, d'un véhicule automobile, disposé entre le moteur à combustion interne dudit véhicule, notamment un moteur Diesel, et un filtre à particules dudit véhicule, comprenant un injecteur de carburant, ainsi qu'un véhicule automobile comprenant un conduit d'échappement selon l'invention. Les exigences en matière de dépollution des gaz d'échappement des véhicules automobiles sont de plus en plus draconiennes. En particulier, les constructeurs de véhicules automobiles cherchent à diminuer les émissions des fines particules, réputées cancérigènes, émises par les moteurs Diesel. L'utilisation de filtres à particules sur les lignes d'échappement des véhicules permet de réduire de manière significative le nombre de particules émises. En général, un filtre à particules est composé d'une matrice de composés frittés et de divers métaux précieux comme le platine ou le palladium. Le procédé de filtration repose sur une retenue des fines particules par ledit filtre. Le filtre doit être régulièrement régénéré, en éliminant les particules stockées. Cette régénérescence est réalisée par pyrolyse des particules. La pyrolyse nécessite une élévation de température du filtre à particules, en particulier en augmentant la température des gaz d'échappement. L'augmentation de la température des gaz d'échappement peut être obtenue en dégradant le fonctionnement du moteur. En effet, un moteur ayant un mauvais rendement aura une température à l'échappement élevée. Cette solution présente en plus des inconvénients évidents en ternie énergétique, des problèmes de confort pour le conducteur. Une autre solution couramment envisagée, est décrite dans EP 1314864. Pour élever la température des gaz d'échappement, un dispositif d'injection de carburant injecte du carburant dans le conduit d'échappement des gaz en amont du filtre à particules. Ce dispositif permet par l'injection de carburant de provoquer une combustion d'un mélange dudit carburant et des gaz d'échappement, juste en amont du filtre et ainsi d'augmenter la température des gaz. Jusqu'à ce jour, les dispositifs d'injection présentaient l'inconvénient de conduire à un mélange peu homogène entre le carburant injecté et les gaz d'échappement. Ce manque d'homogénéité ne permet pas d'utiliser tout l'oxygène encore disponible dans les gaz d'échappement lors de la combustion. De plus, 2905977 2 l'utilisation pour l'injection du carburant dans le conduit d'échappement des injecteurs actuels provoque la formation de gouttelettes de carburant difficiles à brûler et qui se déposent sur les parois dudit conduit d'échappement. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces 5 inconvénients. On atteint ce but de l'invention avec un nouveau conduit d'échappement d'axe central A, d'un véhicule automobile, disposé entre le moteur à combustion interne dudit véhicule, notamment un moteur Diesel, et un filtre à particules dudit véhicule, comprenant un injecteur de carburant remarquable en ce que la buse 10 d'injection dudit injecteur de carburant se situe au niveau de l'axe A dudit conduit d'échappement. L'injection du carburant dans le conduit d'échappement au niveau de l'axe dudit conduit permet d'améliorer l'homogénéisation du mélange entre le carburant injecté et les gaz d'échappement et ainsi une utilisation optimum de l'oxygène encore 15 disponible dans les gaz d'échappement. De plus, l'injection du carburant au niveau de l'axe dudit conduit entraîne une réduction importante du risque de formation de gouttelettes de carburant sur les parois du conduit d'échappement. De préférence, le conduit d'échappement selon l'invention comporte une, et 20 de préférence encore plusieurs, des caractéristiques optionnelles suivantes : la direction principale de la buse d'injection de l'injecteur de carburant est parallèle à celle de l'écoulement des gaz d'échappement dans ledit conduit d'échappement, la buse d'injection de l'injecteur est conformée de façon à ce que le jet de 25 carburant injecté présente une symétrie de révolution autour de l'axe A. la partie de l'injecteur située dans ledit conduit d'échappement présente un profil permettant un écoulement laminaire des gaz d'échappement autour de ladite partie en fonctionnement normal du moteur, de préférence un profil fusiforme, 30 la partie de l'injecteur située dans ledit conduit d'échappement est dans un matériau dont la conductivité thermique À permet de maintenir à l'intérieur de l'injecteur une température inférieure à la température de cokéfaction du carburant injecté, en fonctionnement normal du moteur, de préférence inférieure ou égale à 150 C, 2905977 3 l'injecteur comprend : une alimentation en carburant sous pression, une vanne contrôlant la libération dudit carburant dans un canal d'alimentation, 5 une soupape libérant ledit carburant dans le conduit d'échappement, sous l'effet de la pression en carburant suite à l'ouverture de la vanne, l'axe de ladite soupape étant sensiblement confondu avec celui du conduit d'échappement. L'injection du carburant dans le conduit d'échappement selon l'invention 10 parallèlement à la direction d'écoulement des gaz d'échappement et avec une symétrie de révolution autour de l'axe A du conduit, permet avantageusement une meilleure homogénéisation du carburant injecté et des gaz d'échappement. On entend par température de cokéfaction du carburant injecté, la température à partir de laquelle le carburant liquide commence à se transformer et à 15 former des dépôts charbonneux sur les parois. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée d'un mode de réalisation, faite à titre non limitatif et à l'examen de la figure du dessin annexé dans lequel : - la figure 1 représente schématiquement une coupe suivant un plan axial 20 d'un conduit d'échappement selon l'invention, Sur la figure 1 on a représenté une coupe suivant un plan contenant l'axe A d'un conduit d'échappement 10 selon l'invention. Le flux des gaz d'échappement F se fait de gauche à droite dans le conduit d'échappement 10 représenté sur la figure 1. Les matériaux et dimensions du conduit d'échappement 10 dépendent du 25 véhicule automobile auquel ledit conduit est destiné et sont bien connus de l'homme du métier. Les gaz d'échappement proviennent d'un moteur, non représenté, et s'écoulent vers un filtre à particules non représenté. Les gaz d'échappement à la sortie du moteur contiennent de petites particules polluantes ainsi que des oxydes 30 d'azote. En fonctionnement normal les gaz d'échappement à la sortie du moteur contiennent encore de l'oxygène et sont à une température ne dépassant pas les 800 C. 2905977 4 Le passage du flux de gaz d'échappement dans le filtre à particules permet de retenir les particules polluantes et les oxydes d'azote. Afin d'éliminer ces particules et oxydes il est nécessaire de procéder à la pyrolyse desdites particules et à la réduction des oxydes d'azote. 5 Le mélange des gaz d'échappement avec du carburant permet d'améliorer significativement le procédé de pyrolyse et de réduction grâce à une augmentation de la température. En effet, l'injection du carburant dans le flux des gaz d'échappement entraîne sa combustion et donc une élévation de la température. Cette injection étant réalisée juste en amont du filtre à particules, elle entraîne une élévation de 10 température du flux de gaz entrant dans le filtre à particules, facilitant ainsi l'élimination des particules et oxydes retenus dans ledit filtre. Le conduit d'échappement 10 selon l'invention, délimité par une paroi 12, comprend donc un injecteur de carburant 20 situé juste en amont d'un filtre à particules non représenté. 15 L'injecteur 20 comprend une alimentation en carburant 22 alimentant une vanne pilotée 24 permettant de libérer du carburant dans un canal d'alimentation 26. Le carburant dans l'alimentation 22 est sous pression, comme cela est bien connu de l'homme du métier. L'alimentation en carburant peut être assurée par une pompe éclectique ou mécanique. 20 La vanne pilotée 24 permet de doser le carburant que l'on souhaite injecter. Ladite vanne pilotée 24 permet la libération du carburant sous pression dans un canal d'alimentation 26 avant son injection. Le canal d'alimentation 26 traverse la paroi 12 du conduit d'alimentation à angle droit. Au niveau de l'axe A du conduit d'échappement le canal d'alimentation 26 25 alimente en carburant la buse 27 de l'injecteur. La buse 27 a une forme de révolution autour de l'axe A du conduit d'échappement. A l'extrémité de la buse 27, on trouve une soupape 28 fermée par un ressort 30 qui assure l'étanchéité de ladite buse 27. L'axe de la soupape 28 a la même direction que l'axe A du conduit d'échappement. Lorsque l'on souhaite réaliser une injection de carburant dans le conduit 30 d'échappement selon l'invention, la vanne pilotée 24 libère du carburant sous pression dans le canal d'alimentation 26. Lors de l'ouverture de la vanne pilotée 24, il se crée une onde de pression qui se propage dans le canal d'alimentation puis dans la buse 27. Lorsque l'onde de 2905977 5 pression arrive au niveau de la soupape 28, elle provoque son ouverture pulvérisant le carburant dans le conduit d'échappement. La forme de révolution de la buse 27 et de la soupape 28 donne au jet de carburant, une forme annulaire, ainsi qu'une symétrie de révolution autour de l'axe de 5 la soupape 28 qui est sensiblement confondu avec l'axe A du conduit d'échappement. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la buse 27 et la soupape 28 sont disposées de manière que le carburant soit injecté à contre-courant. Avantageusement, l'injection à contre-courant permet d'améliorer encore l'homogénéité du mélange entre le carburant injecté et les gaz d'échappement. 10 Entre deux ouvertures de la soupape 28, du carburant stagne dans le canal d'alimentation 26 et dans la buse 27. Le carburant stagnant ainsi sera chauffé par les gaz d'échappement circulant autour dudit canal d'alimentation 26 et de ladite buse 27. Le chauffage du carburant permet de favoriser sa vaporisation lors de son entrée dans le conduit d'échappement. Bien que le chauffage du carburant soit 15 souhaitable sa température doit rester inférieure à la température de cokéfaction dudit carburant. En particulier si le carburant utilisé est du gazole on cherchera à ce que la température à l'intérieur du canal d'alimentation 26 et de la buse 27 ne dépasse pas environ 150 C. Les parois du canal d'alimentation 26 et de la buse 27 de l'injecteur de 20 carburant du conduit d'échappement selon l'invention sont en un matériau choisit de manière à permettre, en fonctionnement normal du moteur, que le carburant soit à une température proche de sa température de vaporisation et inférieure à sa température de cokéfaction. En effet, au dessus de sa température de cokéfaction le carburant 25 commence à se transformer et à former des dépôts charbonneux sur les parois. Ces dépôts charbonneux risque alors d'obstruer le canal d'alimentation 26. Les parois du canal d'alimentation 26 se trouvent en contact direct avec le flux de gaz d'échappement 10. Les conditions d'utilisation du conduit d'échappement selon l'invention ainsi que le choix du carburant déterminent le choix du matériau qui 30 constitue les parois du canal d'alimentation 26. L'homme du métier pourra choisir un matériau convenable. L'injecteur 20 va créer dans le conduit d'échappement selon l'invention une perte de charge singulière dans l'écoulement des gaz d'échappement, et limiter le 2905977 6 débit d'échappement. Cette perte de charge peut être anticipée, et le conduit d'échappement adapté en fonction par l'homme du métier. De plus, l'injecteur va créer une perturbation dans le flux des gaz d'échappement et donc des remous dans l'écoulement, remous qui favorisent 5 l'homogénéisation du mélange entre le carburant injecté et les gaz d'échappement. Dans certains cas, il n'est cependant pas possible, pour des raisons de contraintes architecturales, d'adapter Ile conduit d'échappement. Il faut alors adapter le profil de la partie de l'injecteur située dans ledit conduit de manière à éviter une perte de charge singulière trop importante dans le conduit d'échappement selon 10 l'invention. De préférence, la partie de l'injecteur située dans le conduit d'échappement présente un profil permettant un écoulement laminaire des gaz d'échappement autour de ladite partie de l'injecteur lors d'un fonctionnement normal du moteur. De préférence encore, le profil est un profil fusiforme, c'est-à-dire qui a la forme d'un 15 fuseau. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. En particulier, l'injection du carburant peut aussi bien être réalisée à contre-courant que dans le sens du courant des gaz d'échappement. REVENDICATIONS 1. Conduit d'échappement (10) d'axe central A, d'un véhicule automobile, disposé entre le moteur à combustion interne dudit véhicule, notamment un moteur Diesel, et un filtre à particules dudit véhicule, comprenant un injecteur de carburant caractérisé en ce que la buse (27) d'injection dudit injecteur de carburant se situe au niveau de l'axe A dudit conduit d'échappement. 2. Conduit d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction principale de la buse d'injection de l'injecteur de carburant est parallèle à celle de l'écoulement des gaz d'échappement (F) dans ledit conduit. 3. Conduit d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la buse d'injection de l'injecteur a une forme de révolution autour de l'axe A dudit conduit d'échappement de manière à ce que le jet de carburant injecté présente une symétrie de révolution autour de l'axe A. 4. Conduit d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie de l'injecteur situé dans ledit conduit présente un profil permettant un écoulement laminaire des gaz d'échappement autour de ladite partie en fonctionnement normal du moteur. 5. Conduit d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie de l'injecteur situé dans ledit conduit présente un profil fusiforme. 6. Conduit d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie de l'injecteur situé dans ledit conduit est dans un matériau dont la conductivité thermique À permet de maintenir à l'intérieur de l'injecteur une température inférieure ou égale à la température de cokéfaction du carburant injecté, en fonctionnement normal. 7. Conduit d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur comprend : ù une alimentation en carburant (22) sous pression, 5 2905977 8 une vanne pilotée (24) contrôlant la libération dudit carburant dans un canal d'alimentation (26), une soupape (28) libérant ledit carburant dans le conduit d'échappement, sous l'effet de la pression en carburant suite à l'ouverture de la vanne pilotée, l'axe de ladite soupape étant sensiblement confondu avec celui du conduit d'échappement. 8. Véhicule automobile comprenant un conduit d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes.