Brevet FR2903731A1 — publié le 20080118

Dispositif d'évaporation et de mélange d'un liquide dans des gaz d'échappement La présente invention concerne les lignes d'échappement, et plus particulièrement les dispositifs d'introduction de liquide dans les lignes d'échappement. Les moteurs automobiles à combustion interne sont équipés de systèmes de dépollution avancés et souvent fragiles, par exemple les pièges à oxydes d'azote NON. Le bon fonctionnement de ces systèmes peut nécessiter l'adjonction, dans une ligne d'échappement, de composants, tels que du carburant, qui ne sont pas issus de la chambre de combustion du moteur. Pour des raisons de stockage et de sécurité, ces composants sont le plus souvent introduits à l'état liquide. Or, l'efficacité et la durabilité des systèmes de dépollution sont directement liées à la nature du mélange qu'ils traitent. Il faut ainsi éviter que les composants parviennent jusqu'aux systèmes de dépollution à l'état liquide. Le mélange arrivant dans le système de dépollution doit être à l'état gazeux. Les contraintes architecturales et d'implantations des divers éléments constitutifs des moteurs automobiles actuels ne permettent pas toujours de garantir l'évaporation du composant liquide introduit dans la ligne d'échappement. Il est donc nécessaire d'utiliser un dispositif permettant l'évaporation du composant liquide. Beaucoup de dispositifs actuels favorisent l'évaporation dans les lignes d'échappement en changeant l'encombrement initial de la ligne via l'adjonction d'éléments extérieurs et rapportés autour de la ligne d'échappement telles que des résistances électriques ou des bougies. D'autres dispositifs sont internes à la ligne et sont traversés durant l'écoulement des gaz. Il en est ainsi des grilles, des plaques trouées ou des milieux poreux. Ces dispositifs présentent de forts risques d'encrassement et de bouchages et augmentent de manière conséquente les pertes de charge du gaz par effet bouchon, ce qui est 2903731 2 préjudiciable pour la puissance développée par le moteur. Enfin, de tels dispositifs ne peuvent pas être faits bruts dans la fonderie du tube d' échappement. On connaît déjà plusieurs dispositifs d'évaporation de liquide, 5 tels que les brevets JP988740 et JP988794. Le brevet US6539708 concerne un système d'addition de manière dosée d'un agent réducteur dans une chambre d'effluent gazeux comprenant un dispositif de rebondissement capable de provoquer un changement de direction de l'agent réducteur. 10 Cependant, le dispositif proposé nécessite la réalisation et le positionnement du déflecteur dans la chambre et provoque un ralentissement de la circulation de l'effluent gazeux. Le dispositif s'avère donc coûteux et encombrant. La demande WO9302284 concerne un canal d'admission d'un 15 cylindre de moteur à combustion comprenant un élément chauffant se présentant sous la forme d'une plaquette métallique émaillée, sur laquelle est imprimée une matière conductrice de courant. Cependant, le dispositif consomme de l'énergie électrique pour fonctionner et nécessite son positionnement dans le canal d'admission, ce qui 20 encombre et ralentit les gaz qui y circulent. Le brevet US5284117 concerne un conduit d'alimentation pour chaque cylindre d'un moteur à combustion, dans lequel une plaque électrique chauffante est disposée afin de chauffer et évaporer le carburant circulant dans le conduit. Cependant, le dispositif consomme 25 également de l'énergie électrique et encombre en partie le conduit. Le brevet US5725158 concerne un injecteur de carburant pour moteur à combustion interne comportant une surface déflectrice et au moins une cavité réalisée dans la surface déflectrice afin de dévier et mettre en forme le jet de carburant. Cependant, un tel injecteur ne 30 garantit pas l'évaporation complète du carburant injecté. De plus, l'utilisation d'un déflecteur augmente la taille de l'injecteur et donc son encombrement. La demande 1314864 concerne un système d'injection d'un agent réducteur dans une ligne d'échappement, l'injecteur comprenant 2903731 3 une partie protectrice évitant l'exposition directe du bec d'injection avec les gaz d'échappement. Le dispositif revendiqué ne garantit donc pas l'évaporation complète du liquide injecté. De plus, la partie protectrice encombre une partie de la ligne d'échappement. 5 La demande US20050230854 concerne un dispositif s'adaptant à un injecteur et permettant d'éviter le cliquetis de la chambre de combustion. L'adaptateur permet de réduire la taille des gouttes injectées mais pas de les évaporer. De plus, le dispositif présente un encombrement important limitant son implantation dans un véhicule 10 automobile. Le brevet US6811097 concerne une buse d'injecteur comprenant un disque à remous capable de brasser le carburant à injecter afin qu'il soit mieux réparti lors de l'injection. Le dispositif ne permet donc pas d'améliorer l'évaporation du carburant. 15 L'invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention a pour but de proposer un dispositif permettant de forcer l'évaporation du liquide ajouté dans la ligne d'échappement du moteur à combustion interne, ceci en prenant en compte l'architecture et l'espace limité au niveau de la ligne d'échappement. L'invention a 20 également pour but de proposer un dispositif n'utilisant pas ou peu d'énergie au moteur et ne limitant pas ses performances. Selon un aspect de l'invention, il est proposé une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne d'un véhicule automobile comprenant un moyen d'introduction de liquide. La ligne 25 d'échappement présente en outre des irrégularités de surface hélicoïdales sur au moins une partie de sa paroi interne, lesdites irrégularités étant placées sur le trajet du liquide dans la ligne d'échappement. L'invention proposée ici permet, sans changer l'encombrement 30 de la ligne d'échappement, d'optimiser les processus d'évaporation et de mélange du liquide dans le flux des gaz circulant dans la ligne, grâce uniquement à l'énergie de ces gaz. L'invention permet également de limiter l'effet bouchon. En effet, les irrégularités de surface ne limitent pas forcément la section 2903731 4 de circulation des gaz, en particulier lorsque les irrégularités de surface sont des rainures faites sur la surface interne de la ligne. De plus, même lorsque les irrégularités sont faites par formation de protubérances sur la surface interne, celles-ci ne couvrent pas 5 nécessairement toute la circonférence de la ligne, ce qui limite leur impact sur la circulation des gaz. L'invention permet d'améliorer le processus d'évaporation en n'utilisant que l'énergie des gaz d'échappement, et ne nécessite pas de modifier la géométrie extérieure de la ligne d'échappement. 10 L'introduction d'irrégularités de surface sur la paroi du tube permet d'augmenter le trajet effectué par le film liquide, ce qui augmente le temps durant lequel le liquide échange de la chaleur avec la paroi du tube et ainsi favorise son évaporation. De plus, le fait que les irrégularités présentent une forme 15 hélicoïdale permet d'imposer aux gaz d'échappement un mouvement également hélicoïdal. Le but du mouvement hélicoïdal des gaz d'échappement est d'améliorer le mélange et le brassage des vapeurs du composé liquide avec les gaz. Les gaz d'échappement vont rester plus longtemps en contact avec le liquide injecté et vont entraîner plus 20 facilement celui-ci. Les irrégularités de surface diminuent ou augmentent la section de circulation des gaz de la ligne d'échappement. Les irrégularités peuvent ainsi être réalisées sous forme de rainures ou de protubérances sur la surface interne de la ligne. 25 Préférentiellement, le moyen d'introduction de liquide est un injecteur capable d'injecter le liquide dans la ligne d'échappement selon une direction non-parallèle à l'axe de la ligne d'échappement. Préférentiellement, les irrégularités de surface sont situées dans la direction d'injection du liquide dans la ligne d'échappement. 30 L'injecteur peut être adapté de manière à introduire le liquide en direction des irrégularités de surface. Le but est de faire en sorte que le liquide introduit se retrouve sur les irrégularités de surface et puisse s'évaporer facilement et rapidement. 2903731 5 Selon un mode de réalisation, le liquide est un liquide réducteur. Ce mode de réalisation s'applique en particulier pour les pièges à oxydes d'azote NON qui nécessitent un mélange réducteur pour être 5 purgés. Or, en fonctionnement normal, les gaz d'échappement contiennent de l'oxygène et sont par conséquent oxydants. Il peut être ainsi nécessaire d'introduire un liquide réducteur dans la ligne d'échappement pour réaliser la purge. Préférentiellement, le liquide réducteur est du carburant. 10 Préférentiellement, la ligne d'échappement comprend également au moins un dispositif de traitement des gaz monté sur la ligne d'échappement, en aval de l'injecteur de liquide. Le dispositif de traitement des gaz peut être par exemple un piège à oxydes d'azote NON. 15 L'invention se rapporte également à un procédé d'évaporation d'un liquide dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, dans lequel on crée, sur au moins une partie du trajet du liquide dans la ligne d'échappement, un mouvement hélicoïdal des gaz. Préférentiellement, on mélange le liquide évaporé et le gaz 20 avant de les introduire dans un dispositif de traitement des gaz. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 illustrent d'une façon très schématique, deux modes de réalisation de 25 l'invention. Sur la figure 1 est représentée en coupe, une portion 1 d'une ligne d'échappement 2. La portion 1 est réalisée par exemple sous la forme d'un tube comprenant une surface interne 3 et une surface externe 4. Le rayon de courbure de la surface interne 3 définit la 30 section de circulation des gaz dans la portion 1. La portion 1 est située, par exemple, en aval d'un moteur à combustion interne libérant des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement 2, et en amont d'un système de traitement des gaz, par exemple un piège à oxydes d'azote NON. Les gaz d'échappement issus 2903731 6 du moteur à combustion interne circulent le long de la ligne d'échappement 2 selon une direction représentée par la flèche 5, pour atteindre le système de traitement. Le système de traitement est traversé d'une part par les gaz d'échappement à traiter et d'autre part 5 par d'autres composés, par exemple réducteurs, nécessaires au fonctionnement du piège et introduits en général en amont du système de traitement. La ligne d'échappement comprend ainsi un dispositif d'introduction de composés sous forme liquide dans la ligne, entre le 10 moteur à combustion interne et le système de traitement des gaz. Le dispositif d'introduction n'est pas représenté ici mais peut être réalisé de manière classique pour l'homme du métier, par exemple sous la forme d'un injecteur. Le dispositif introduit dans la ligne d'échappement 2 un jet 6 de liquide réducteur. Le système 15 d'introduction est placé en amont de la portion 1 ou bien au niveau de la portion 1 selon la forme et la direction du jet de liquide. On considère ici que le dispositif d'introduction est positionné en amont de la portion 1, et que l'injection de liquide se fait dans la même direction que le sens de circulation 5 des gaz d'échappement. 20 Cependant, il faut éviter que les composés introduits entrent dans le système de traitement des gaz sous forme liquide. Il est donc nécessaire que l'ensemble du liquide introduit soit évaporé dans la ligne d'échappement 2. On prévoit ainsi un dispositif d'aide à l'évaporation et au mélange du liquide dans les gaz d'échappement. Le 25 dispositif d'aide à l'évaporation est placé dans la portion 1 de la ligne d'échappement 2, de préférence après le dispositif d'introduction du liquide et dans la direction du jet 6 de liquide. De cette façon, le liquide introduit et non évaporé arrive sur le dispositif d'aide à l'évaporation ou légèrement avant. 30 Le dispositif d'aide à l'évaporation est vu du dessus et se présente sous la forme d'une ou de plusieurs protubérances ou vaguelettes 7 de forme hélicoïdale et disposées sur la surface interne 3 de la portion 1. Les vaguelettes 7 peuvent être réalisées sur une partie uniquement de la surface interne 3, afin de minimiser la diminution de 2903731 7 la section de circulation des gaz dans la portion 1, mais doivent se situer sur le trajet du liquide introduit dans la ligne 2. Les vaguelettes 7 sont disposées ici sur plus de la moitié de la surface interne 3 de la portion 1 afin de laisser apparaître la section 8 de celles-ci avec le 5 plan de coupe vertical de la figure 1. Les vaguelettes 7 présentent une forme hélicoïdale et sont par conséquent inclinées dans le sens de circulation 5 des gaz dans la ligne 2. La forme hélicoïdale permet de créer un mouvement des gaz d'échappement également hélicoïdal ce qui améliore le mélange des 10 vapeurs du liquide introduit avec les gaz. La section 8 des vaguelettes 7 présente une forme de portion d'ellipse, par exemple de demi-ellipse ou bien une partie de demi-ellipse. La forme des vaguelettes 7 a pour but d'augmenter la surface de contact de la paroi interne de la portion 1 avec les gaz 15 d'échappement. De cette façon, le liquide présent sur la paroi interne s'évapore plus facilement. La hauteur des vaguelettes 7 ainsi que leur forme ne doivent pas empêcher l'écoulement du liquide introduit. En effet, la section des vaguelettes 7 doit permettre d'une part le guidage des gaz de façon à leur imposer un mouvement hélicoïdal, et d'autre 20 part l'écoulement et l'entraînement du liquide introduit, par les gaz d'échappement. L'écoulement du liquide introduit sur les vaguelettes 7 offre deux avantages : d'une part l'augmentation de la surface d'échange thermique avec les gaz d'échappement et la paroi chaude de la ligne 2, d'autre part le ralentissement du liquide, ce qui augmente le 25 cisaillement entre les gaz d'échappement et le liquide introduit, et augmente le temps de contact entre la paroi interne chaude et le liquide. Les vaguelettes 7 peuvent être réalisées dans la ligne d'échappement 2 lors de la conception de celle-ci, c'est-à-dire que les 30 vaguelettes 7 peuvent être réalisées brutes de fonderie. Le nombre de vaguelettes, leur inclinaison, leur largeur et leur hauteur sont des paramètres d'ordre 1 qui vont modifier l'efficacité du dispositif vis-à-vis du compromis évaporation/mélange/perte de charge du gaz. En particulier, le choix des différentes grandeurs se fera au cas par cas, 2903731 8 selon le type de liquide à évaporer dans la ligne, le débit des gaz d'échappement, la température des gaz d'échappement et la taille de la ligne d'échappement 2. Sur la figure 2, un autre mode de réalisation est représenté dans 5 lequel les éléments communs au premier mode de réalisation portent les mêmes références. Dans ce second mode de réalisation, le plan de coupe de la portion 10 de ligne 2 est différent et un dispositif d'aide à l'évaporation est vu de côté. Le dispositif d'aide à l'évaporation est réalisé sous forme de rainures ou de stries hélicoïdales 70. Ce 10 deuxième mode de réalisation offre l'avantage de ne pas réduire la section de circulation des gaz. Il permet ainsi de minimiser les pertes de charge des gaz d'échappement et donc de garantir de bons niveaux de performances pour le moteur. Les rainures, sillons ou stries 70 sont présentes sur la surface 15 interne 3 de la ligne d'échappement. Elles peuvent être réalisées avec des dimensions, une inclinaison et une forme analogue à celles décrites dans le premier mode de réalisation. La différence entre les deux modes de réalisation est que, dans le premier, les irrégularités de surface sont réalisées sur la surface interne 3, tandis que dans le 20 second mode de réalisation, les irrégularités de surface sont réalisées dans la surface interne 3. La réalisation des stries 70 nécessite cependant de ne pas créer de réservoir à liquide. Il faut que le liquide puisse circuler librement tout en parcourant une distance plus grande par rapport à une section 25 de cylindre lisse, afin de privilégier l'évaporation. De plus, les rainures 70 doivent présenter une forme hélicoïdale afin de créer également un mouvement de gaz d'échappement hélicoïdal dans la ligne 2. Le deuxième mode de réalisation offre l'avantage de ne pas 30 diminuer la section de circulation des gaz dans la ligne 2, mais ne permet pas non plus de créer un mouvement hélicoïdal important des gaz d'échappement. Les sillons 70 peuvent être réalisés par usinage, par exemple par tournage. On peut également envisager de les réaliser bruts de 2903731 9 fonderie même si cela semble plus délicat que pour le premier mode de réalisation. Enfin, selon l'épaisseur de la portion 1 et la taille optimum des irrégularités de surface, on préfèrera le premier mode de réalisation qui évite de fragiliser la portion 1 de ligne. 5 En d'autres termes, l'invention concerne un dispositif d'aide à l'évaporation et au mélange d'un liquide dans des gaz d'échappement par modification de la surface interne d'une ligne d'échappement de façon à accroître la surface de contact de la ligne. L'invention concerne également un dispositif apte à créer un mouvement hélicoïdal 10 des gaz d'échappement dans la ligne de manière à privilégier également les échanges thermiques et l'entraînement de liquide par les gaz d'échappement. 10. REVENDICATIONS 1. Ligne d'échappement (2) pour moteur à combustion interne d'un véhicule automobile comprenant un moyen d'introduction de liquide, caractérisée en ce qu'elle présente des irrégularités de surface hélicoïdales (7, 70) sur au moins une partie de sa paroi interne (3), lesdites irrégularités (7, 70) étant placées sur le trajet du liquide dans la ligne d'échappement (2). 2. Ligne d'échappement (2) selon la revendication 1 dans laquelle les irrégularités de surface (7, 70) diminuent ou augmentent la section de circulation des gaz de la ligne d'échappement (2). 3. Ligne d'échappement (2) selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle le moyen d'introduction de liquide est un injecteur capable d'injecter le liquide dans la ligne d'échappement selon une direction (6) non-parallèle à l'axe de la ligne d'échappement (2). 4. Ligne d'échappement (2) selon la revendication 3 dans laquelle les irrégularités de surface (7, 70) sont situées dans la direction d'injection (6) du liquide dans la ligne d'échappement. 5. Ligne d'échappement (2) selon l'une des revendications 1 à 4 dans laquelle le liquide est un liquide réducteur. 6. Ligne d'échappement (2) selon la revendication 5 dans laquelle le liquide réducteur est du carburant. 7. Ligne d'échappement (2) selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant également au moins un dispositif de traitement des gaz monté sur la ligne d'échappement, en aval de l'injecteur de liquide. 8. Procédé d'évaporation d'un liquide dans une ligne d'échappement (2) d'un moteur à combustion interne, dans lequel on crée, sur au moins une partie du trajet du liquide dans la ligne d'échappement, un mouvement hélicoïdal des gaz. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel on mélange le 30 liquide évaporé et le gaz avant de les introduire dans un dispositif de traitement des gaz.