Brevet FR2907501A1 — publié le 20080425

Procédé et dispositif d'injection de carburant dans un courant de gaz d'échappement L'invention a pour objet un procédé et un dispositif d'injection d'un liquide, en particulier un carburant liquide, dans un courant de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne circulant dans une conduite. Il est connu, pour éviter ou, au moins, diminuer les risques de pollution par les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, en particulier d'automobiles, de placer sur le circuit d'échappement au moins un organe de post-traitement permettant de réduire, en particulier, les émissions d'oxyde d'azote NOX et constitué, habituellement, d'un catalyseur dénommé "NOX trap" dans lequel sont piégés les oxydes d'azote émis pendant le fonctionnement du moteur en mélange pauvre. Le fonctionnement d'un tel catalyseur est décrit, par exemple, dans le document EP-A-O 580 389. En outre, pour éliminer les particules de suie entraînées par les gaz d'échappement, le circuit comporte habituellement un filtre à particules, par exemple catalytique, dans lequel s'accumulent les particules de suie. Du fait que de tels organes de post-traitement piègent et stockent les polluants dans les phases de fonctionnement normal, en particulier en mélange pauvre, il est nécessaire de les régénérer périodiquement et, pour cela, le moteur est exploité en régime riche pendant un certain temps de façon à décomposer les nitrates accumulés dans le catalyseur de type "NOX trap" et/ou à brûler les suies accumulées dans le filtre à particules. Cette élévation de température est obtenue, habituellement, en injectant du carburant, de préférence à l'entrée du catalyseur. Ce carburant, injecté sous forme liquide dans le courant de gaz d'échappement, est vaporisé en raison de la température de ces gaz et se répartit ainsi dans le catalyseur pour décomposer les oxydes ou dans le filtre à particules pour brûler les suies stockées. On a observé, cependant, que le carburant ainsi injecté à l'entrée du catalyseur ne se mélangeait pas toujours de façon homogène au courant de gaz chauds et qu'il pouvait en résulter, dans les zones trop riches en carburant, des points chauds risquant de détériorer le pain catalytique, d'autant plus que, pour effectuer la régénération avec un bon rendement, on s'efforce d'élever les gaz à une température optimale proche de la température maximale admissible. DB5116 FR DEM 0 2907501 2 L'invention a pour but d'éviter de tels inconvénients en réalisant, dès l'injection de carburant dans le courant de gaz chauds, un brassage intense permettant de réaliser un mélange homogène dès l'entrée dans le catalyseur et, ainsi, d'éviter les points chauds, le carburant étant réparti dans tout le volume du 5 pain catalytique. L'invention concerne donc, d'une façon générale, un procédé et un dispositif d'injection d'un liquide tel qu'un carburant dans un courant de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne circulant dans une conduite. Conformément à l'invention, le liquide est d'abord injecté dans une chambre 10 chauffée à une température suffisante pour la vaporisation complète du liquide injecté et la vapeur ainsi formée est introduite dans la conduite d'échappement par au moins un moyen de communication entre la chambre de vaporisation et la conduite, en formant au moins un jet de vapeur suivant une direction transversale au courant de gaz circulant dans ladite conduite, pour réaliser un mélange homogène, 15 par brassage, du liquide vaporisé avec ledit courant de gaz. De façon particulièrement avantageuse, la chambre de vaporisation est séparée de la conduite d'échappement par une paroi munie d'au moins un orifice de communication débouchant directement dans la conduite d'échappement et elle est chauffée par échange de chaleur avec les gaz d'échappement à travers ladite paroi. 20 Dans un mode de réalisation préférentiel, la conduite de circulation des gaz d'échappement forme un coude avec une paroi externe convexe vers l'extérieur et une paroi interne concave et la chambre de vaporisation est accolée le long d'une partie de la paroi interne de la conduite, de façon que le courant de gaz dévié vers l'extérieur dans le coude de la conduite provoque un effet de dépression le long de 25 la paroi concave facilitant l'introduction, dans ledit courant, de la vapeur venant de la chambre de vaporisation. De façon particulièrement avantageuse, la conduite de circulation des gaz est séparée de la chambre de vaporisation par une paroi concave sur laquelle sont ménagés une pluralité d'orifices d'évacuation de la vapeur suivant des directions 30 rayonnantes qui coupent transversalement le courant de gaz circulant dans la conduite. L'invention s'applique spécialement à l'injection de carburant liquide dans un organe de post-traitement relié à un circuit d'échappement des gaz d'un moteur comportant une conduite le long de laquelle est accolée une chambre de DB5116 FR DEM 0 2907501 3 vaporisation séparée de la conduite par une paroi munie d'au moins un orifice de communication et dans laquelle est injecté un carburant qui est chauffé et se vaporise dans ladite chambre, le carburant vaporisé étant évacué dans la conduite par les orifices de communication en se mélangeant au gaz d'échappement. 5 En particulier, l'organe de post-traitement peut être un pain catalytique placé dans une enceinte de forme allongée ayant une face d'entrée dans laquelle débouche une conduite d'alimentation en gaz d'échappement. De préférence, cette conduite d'alimentation se raccorde à la face d'entrée de l'organe de post-traitement par une partie coudée tournant autour de la chambre de vaporisation, ayant sa 10 concavité tournée vers la chambre de vaporisation et munie d'orifices de communication, le carburant vaporisé ayant ainsi tendance à être aspiré par les gaz d'échappement circulant le long de ladite partie courbe. D'autres caractéristiques, avantageuses apparaîtront dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple et représenté 15 sur les dessins annexés. La figure 1 est un schéma d'ensemble d'un catalyseur équipé d'un dispositif d'injection selon l'invention. La figure 2 est une vue de détail de la zone d'entrée des gaz d'échappement. 20 Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un catalyseur 1 constitué d'un pain catalytique 11 placé dans une enceinte 12 de forme allongée qui est disposée sur un circuit 2 de circulation des gaz d'échappement d'un moteur et comporte donc une face d'entrée 13 à laquelle se raccorde une conduite d'alimentation en gaz 21 et une face de sortie 14 qui débouche dans une conduite 25 d'évacuation 22. De façon classique, les gaz d'échappement chauds émis par un moteur à combustion interne non représenté sont évacués par le circuit 2 ou une partie de celui-ci, en traversant le catalyseur 1 qui peut être, par exemple, du type destiné à piéger les oxydes d'azote NON. 30 Comme indiqué plus haut, les oxydes d'azote ou autres polluants qui s'accumulent ainsi dans l'organe de post-traitement 1 doivent être éliminés périodiquement dans une phase dite de régénération et, pour cela, il est habituel, dans cette phase de régénération, de fonctionner en mélange riche en injectant dans les gaz d'échappement une certaine proportion de carburant qui, par une DB5116 FR DEM 0 2907501 4 réaction exothermique d'oxydation des réducteurs à l'intérieur du catalyseur, élève la température des gaz jusqu'à un niveau permettant de décomposer les nitrates ou, par exemple, de brûler les suies. Dans la mesure où cette réaction exothermique se produit à l'intérieur du 5 catalyseur, il est avantageux d'injecter le carburant juste avant l'entrée des gaz dans le catalyseur, au moyen d'un injecteur 3 débouchant à l'extrémité de la conduite d'alimentation 21 qui forme un cône d'entrée 23 se raccordant à la face d'entrée 13 du catalyseur. Le carburant ainsi injecté dans le courant de gaz chauds 5 forme un mélange riche qui traverse le pain catalytique 11 jusqu'à la face de sortie 14 10 débouchant dans la conduite d'évacuation 22. Selon l'invention, l'injecteur de carburant 3 ne débouche pas directement dans la conduite d'alimentation 21 mais, au contraire, dans une enceinte fermée 4 qui est accolée à la conduite d'alimentation 21 et est donc séparée de celle-ci par une paroi mince 41 constituant une partie de la paroi 20 de la conduite 15 d'alimentation 21. L'enceinte fermée 4 est donc chauffée par le courant de gaz chauds 5 qui se trouve à une température élevée de plusieurs centaines de degrés, de telle sorte que le carburant injecté 21 se vaporise immédiatement à l'intérieur de la chambre 4 qui est ainsi mise sous pression. La paroi de séparation 41 est cependant munie d'une pluralité d'orifices 42 20 par lesquels la vapeur ainsi formée peut s'échapper en formant des jets de vapeur 32. Les orifices 42 sont répartis le long de la paroi de séparation 41 et conformés de façon que les jets de vapeur 32 soient sensiblement orthogonaux à la direction du courant de gaz chauds 5. 25 De façon particulièrement avantageuse, avant de se raccorder à l'enceinte 12 du catalyseur 1, la conduite d'alimentation 21 forme un coude 24 à l'intérieur duquel est placée l'enceinte 4 constituant la chambre de vaporisation. Ce coude 24 est donc limité par une paroi externe 25 convexe vers l'extérieur et une paroi interne concave 26 le long de laquelle est accolée la chambre 30 de vaporisation 4 et dont une partie constitue donc la paroi de séparation 41 entre cette chambre 4 et la partie coudée 24 de la conduite 21. Cette disposition augmente le périmètre de la paroi de séparation 41 et, donc, la surface d'échange, ce qui favorise le chauffage du carburant à l'intérieur de la chambre 4. DB5116 FR DEM 0 2907501 5 D'autre part, les orifices de sortie 42 placés le long de la paroi interne 26 de la partie coudée 24 produisent des jets sensiblement orthogonaux à cette paroi 26 et qui, par conséquent, sont dirigés radialement et se répartissent en étoile à la sortie des orifices 42. Ces jets de vapeur 32 sont immédiatement déviés vers l'aval 5 par le courant de gaz chauds 5 et il en résulte un brassage intense produisant un mélange homogène de la vapeur du carburant avec les gaz chauds avant leur entrée dans le catalyseur 11. Par ailleurs, la forme coudée de la partie 24 de la conduite d'alimentation 20 se raccordant à l'entrée 13 du catalyseur 1 provoque une déviation vers l'extérieur 10 du courant 51 et une tendance au décollement de la partie 52 des gaz longeant la paroi de séparation 41 avec un certain effet de dépression qui favorise l'aspiration de la vapeur injectée même si la surpression dans la chambre 4 n'est pas très élevée. Grâce à ce mélange homogène du carburant dans le courant de gaz chauds, 15 on évite la formation de points chauds à l'intérieur du pain catalytique 11 et il est donc possible d'augmenter la température des gaz à un niveau optimal proche de la température maximale supportable par le catalyseur, sans détérioration de celui-ci. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre de simple exemple mais couvre au contraire toutes les 20 variantes utilisant des moyens équivalents et restant dans le même cadre de protection. En particulier, l'invention a été décrite dans le cas d'un pain catalytique placé dans une enceinte allongée mais peut s'appliquer à une autre forme de catalyseur et un autre type d'organe de post-traitement, par exemple un filtre à particules. 25 D'autre part, il est avantageux de placer la chambre de vaporisation 4 dans un coude de la conduite d'alimentation 21 mais celle-ci pourrait être rectiligne et d'autres dispositions seraient également possibles. DB5116 FR DEM 0 REVENDICATIONS 1. Procédé d'injection d'un liquide dans un courant (5) de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne circulant dans une conduite (21), caractérisé par le fait que le liquide réducteur (31) est d'abord injecté dans une chambre (4) chauffée à une température suffisante pour la vaporisation complète du liquide injecté (31) et que la vapeur (32) ainsi formée est introduite dans la conduite d'échappement (2) par au moins un moyen (42) de communication entre la chambre de vaporisation (4) et la conduite (21) en formant au moins un jet (32) de vapeur suivant une direction transversale au courant (5) de gaz circulant dans ladite conduite (21) pour réaliser un mélange homogène, par brassage, du liquide vaporisé (32) avec ledit courant de gaz (5). 2. Procédé d'injection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la chambre de vaporisation (4) est séparée de la conduite d'échappement (21) par une paroi (41) munie d'au moins un orifice (42) de communication débouchant directement dans la conduite d'échappement (21) et que le liquide injecté est chauffé et vaporisé par échange de chaleur avec les gaz d'échappement à travers ladite paroi (41). 3. Procédé d'injection selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la conduite (21) de circulation des gaz forme un coude (24) avec une paroi externe (25) convexe vers l'extérieur et une paroi interne concave (26) et que la chambre de vaporisation (4) est accolée le long d'une partie (41) de la paroi interne (26) de la conduite (21), de façon que le courant (5) de gaz dévié vers l'extérieur dans le coude (24) de la conduite (21) provoque un effet de dépression le long de la paroi concave (41) facilitant l'introduction dans ledit courant de la vapeur venant de la chambre de vaporisation (4). 4. Dispositif d'injection d'un liquide réducteur dans un courant (5) de gaz d'échappement circulant dans une conduite (21), caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (3) d'injection du liquide (31) dans une chambre (4), un moyen (42) de communication entre ladite chambre (4) et la conduite (21) et un moyen de chauffage (41) de la chambre (4) à une température suffisante pour la vaporisation du liquide injecté (31) et l'introduction de la vapeur (32) ainsi formée dans le courant (5) de gaz circulant dans la conduite (21). 5. Dispositif d'injection selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la chambre de vaporisation (4) est accolée à la conduite d'échappement (21) le long DB5116 FR DEM 0 2907501 7 d'une partie (41) de la paroi (20) de celle-ci, ladite partie (41) de la paroi (20) étant munie d'au moins un orifice (42) d'évacuation du liquide vaporisé, et constituant un moyen de chauffage du liquide injecté dans la chambre (4) par échange de chaleur avec les gaz (5) à travers ladite paroi (41). 5 6. Dispositif d'injection selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que la conduite (21) parcourue par les gaz d'échappement (5) forme un coude (24) ayant une partie interne (26) concave vers l'extérieur et une partie externe (25) convexe, et que la chambre de vaporisation (4) est accolée le long d'une partie (41) de la paroi interne concave (26) de la conduite (21). 10 7. Dispositif d'injection selon l'une des revendications 4, 5 et 6, caractérisé par le fait que la conduite (21) de circulation des gaz est séparée de la chambre de vaporisation (4) par une paroi concave (41) sur laquelle sont ménagés une pluralité d'orifices (42) d'évacuation de la vapeur suivant des directions rayonnantes (32) transversales au courant de gaz (5) circulant dans la conduite (21). 15 8. Dispositif d'injection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est appliqué à l'injection d'un carburant liquide dans un organe de post-traitement (1) relié à un circuit (2) d'échappement des gaz d'un moteur par une conduite (21) le long de laquelle est accolée une chambre de vaporisation (4) séparée de la conduite (21) par une paroi (41) munie d'au moins un 20 orifice de communication (42) et dans laquelle débouche un injecteur de carburant (3), ledit carburant étant chauffé et vaporisé dans ladite chambre (4) et la vapeur formée (32) étant évacuée dans la conduite (21) par des orifices de communication (42) en se mélangeant aux gaz d'échappement (5). 9. Dispositif d'injection selon la revendication 8, caractérisé par le fait que 25 l'organe de post-traitement (1) est un pain catalytique (11) placé dans une enceinte (12) de forme allongée ayant une face d'entrée (13) dans laquelle débouche une conduite (21) d'alimentation en gaz d'échappement. 10. Dispositif d'injection selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la conduite (21) d'alimentation se raccorde à la face d'entrée (13) de l'organe de post- 30 traitement (1) par une partie coudée (24) tournant autour de la chambre de vaporisation (4) et séparée de celle-ci par une paroi courbe (41) munie d'orifices de communication (42) et ayant sa concavité tournée vers la chambre de vaporisation (4) de telle sorte que le carburant (32) vaporisé dans la chambre de vaporisation ait DB5116 FR DEM 0 2907501 8 tendance à être aspiré par les gaz d'échappement (5) circulant dans ladite partie courbe (24) vers l'organe de post-traitement (1). DB5116 FR DEM 0