Brevet FR2912462A1 — publié le 20080815

B06/3902FR / GBO PJ6856/VRX Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de traitement des gaz d'échappement comprenant un injecteur d'hydrocarbures Invention de : BIGOT Benjamin CAPELLE Sébastien Système de traitement des gaz d'échappement comprenant un injecteur d'hydrocarbures La présente invention concerne les systèmes de traitement des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. En particulier, la présente invention concerne les systèmes de traitement comprenant un filtre à particules, et la régénération du filtre à particules. Les moteurs à combustion interne, notamment de type diesel, produisent des suies, ou particules, en raison de leur mode de combustion par auto-inflammation du mélange carburant-air dans la chambre de combustion. Le traitement des suies, ou particules, dans les gaz d'échappement d'un moteur, par exemple diesel, est important pour répondre aux normes anti-pollution Une solution possible au traitement des particules est l'utilisation de filtres à particules. En présence d'oxygène et à une température par exemple de l'ordre de 400 C, les particules retenues par le filtre à particules sont brûlées, notamment par oxydation, dans celui-ci et on obtient ainsi une régénération du filtre à particules. Actuellement, les filtres à particules sont associés à des éléments catalytiques capables d'oxyder des hydrocarbures, notamment les hydrocarbures imbrûlés de combustion. L'oxydation des hydrocarbures est fortement exothermique et permet d'augmenter la température des gaz d'échappement arrivant sur le filtre à particules placé en aval de l'élément catalytique. La température du filtre à particules augmente alors et peut provoquer la combustion des particules filtrées : on obtient la régénération du filtre à particules. Pour les démarrages à froid d'un moteur à combustion, une augmentation rapide de la température de fonctionnement du filtre à particules peut être souhaitée. Cela est possible en introduisant des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement, notamment par une post-injection d'hydrocarbures lors de la vidange de la chambre de combustion. Toutefois, il est alors préférable d'avoir un certain niveau de charge du véhicule, c'est-à- dire d'avoir un véhicule en mouvement, pour améliorer l'acheminement des hydrocarbures de post-injection de la chambre de combustion aux éléments catalytiques de la conduite d'acheminement des gaz. Une solution permettant de rendre indépendante la régénération du filtre à particules de la charge du moteur, consiste à utiliser un ou plusieurs injecteurs disposés dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement. Ces injecteurs sont destinés à introduire, dans la conduite d'acheminement, les hydrocarbures qui vont permettre, par oxydation sur des éléments catalytiques, d'augmenter la température du filtre à particules. I1 est alors possible de régénérer le filtre à particules lorsque le moteur à combustion est à très faible charge, voire même à l'arrêt, ce qui correspond à une utilisation en milieu urbain d'un véhicule. Les solutions actuelles tendent à obtenir un mélange air-hydrocarbure homogène et uniforme à l'entrée des dispositifs de traitement des gaz d'échappement. Les brevets US 3 964 875 et US 3749 130 concernent ainsi des dispositifs capables de répartir de manière uniforme les gaz d'échappement à l'entrée d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement. Cependant, ces dispositifs introduisent une perte de charge supplémentaire importante dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Le but de l'invention est d'améliorer le fonctionnement du filtre à particules, et notamment sa régénération, tout en limitant les pertes de charge supplémentaires. L'invention propose ainsi un système de traitement des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile. Le système de traitement comprend un filtre à particules disposé dans une conduite d'acheminement des gaz d'échappement, un catalyseur d'oxydation monté en amont du filtre à particules, et un injecteur monté en amont du catalyseur d'oxydation et capable d'introduire des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement. L'injecteur est monté à l'intérieur d'un corps en forme d'aile profilée disposé dans l'écoulement des gaz d'échappement et présentant une face d'extrémité libre au voisinage de l'axe de la conduite d'acheminement, le corps en forme d'aile profilée comprenant un canal d'alimentation en hydrocarbures reliant l'injecteur à une buse formée sur le bord de fuite de la face d'extrémité libre. Le corps en forme d'aile profilée permet d'introduire les hydrocarbures dans la conduite d'acheminement et de diminuer, grâce à sa forme profilée, la perte de charge qu'il créé dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement. Cependant, le corps en forme d'aile profilée a aussi pour but de mélanger les hydrocarbures qu'il introduit dans la conduite d'acheminement, avec les gaz d'échappement. En particulier, le corps en forme d'aile profilée permet de créer, dans l'écoulement des gaz d'échappement et malgré sa forme profilée, des turbulences capables de mélanger les hydrocarbures et les gaz d'échappement avant aspersion du catalyseur d'oxydation. Cela permet ainsi d'obtenir une augmentation uniforme de la température au niveau du catalyseur d'oxydation, et donc une meilleure régénération du filtre à particules. Ainsi, le corps en forme d'aile profilée permet d'une part d'introduire des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement, et d'autre part de les mélanger aux gaz d'échappement. On obtient donc un dispositif compact qui permet de limiter les pertes de charge supplémentaire dans la conduite d'acheminement grâce à sa forme profilée, mais qui permet également de mélanger les hydrocarbures et les gaz d'échappement grâce à la formation de turbulences localiées. Selon un mode de réalisation, le corps en forme d'aile profilée présente une forme asymétrique. La forme asymétrique permet de créer des turbulences dans l'écoulement des gaz d'échappement, et en particulier à proximité du bord de fuite de la face d'extrémité libre, là où se situe la buse d'injection. Selon un autre mode de réalisation, le corps en forme d'aile profilée est disposé asymétriquement dans l'écoulement des gaz d'échappement. I1 peut s'agir ici d'un corps symétrique ou asymétrique. En particulier, dans le cas d'un corps symétrique, le positionnement asymétrique dans la conduite d'acheminement permet de créer les turbulences voulues. Préférentiellement, le corps en forme d'aile profilée est capable de tourner autour d'un axe parallèle au bord de fuite dudit corps en forme d'aile profilée. Ainsi, selon l'angle de rotation entre le sens d'écoulement des gaz d'échappement et le corps en forme d'aile profilée, il est possible d'augmenter ou de diminuer les turbulences créées par le corps en forme d'aile profilée, ainsi que la perte de charge induite par le corps en forme d'aile profilée. Selon un autre mode de réalisation, le corps en forme d'aile profilée présente un vrillage. Le vrillage du corps en forme d'aile profilée peut permettre de trouver un compromis entre faibles pertes de charge et turbulences capables de mélanger les hydrocarbures et les gaz d'échappement. Préférentiellement, le corps en forme d'aile profilée est capable de générer, dans l'écoulement des gaz, un tourbillon marginal. Les turbulences qu'on considère ici sont le tourbillon marginal qui peut se former à l'extrémité d'une aile profilée. Ainsi, le corps en forme d'aile profilée permet de limiter la perte de charge dans la conduite d'acheminement, tout en créant des turbulences localisées adaptées au mélange des hydrocarbures introduits et des gaz d'échappement. Préférentiellement, le corps en forme d'aile profilée comprend également un capteur de température et/ou un capteur de pression. On utilise le volume du corps en forme d'aile profilée pour ajouter des capteurs supplémentaires, sans introduire des pertes de charge ou des problèmes d'intégration supplémentaires. L'invention se rapporte également à un procédé de dispersion d'hydrocarbures dans les gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile et circulant dans une conduite d'acheminement comprenant un filtre à particules. Selon le procédé, on injecte des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement, et on oxyde les hydrocarbures injectés en amont du filtre à particules. Par ailleurs, on génère des turbulences dans l'écoulement des gaz d'échappement et on injecte les hydrocarbures dans les turbulences des gaz d'échappement. Préférentiellement, les turbulences sont un tourbillon marginal. 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 : - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe, de côté, d'un mode de réalisation d'un système de traitement de gaz d'échappement comprenant une buse déflectrice, et - les figures 2 à 4 représentent différents modes de réalisation de la buse déflectrice, vus de haut. La figure 1 représente une vue en coupe, de côté, d'un mode de réalisation du système de traitement des gaz d'échappement selon l'invention. Sur la figure 1 est représentée une conduite d'acheminement 1 des gaz d'échappement. La conduite d'acheminement 1 est placée en aval d'un moteur à combustion interne (non représenté), par exemple de type diesel, d'un véhicule automobile. La conduite d'acheminement 1 comprend, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la conduite d'acheminement 1, un injecteur d'hydrocarbures 2 intégré à la conduite d'acheminement 1, un catalyseur d'oxydation 3 et un filtre à particules 4. Le catalyseur d'oxydation 3 et le filtre à particules 4 peuvent être en contact de manière à minimiser le temps de cheminement des gaz d'échappement entre le catalyseur d'oxydation 3 et le filtre à particules 4. I1 est également possible de remplacer le catalyseur d'oxydation et le filtre à particules, par un filtre à particules comprenant des éléments de catalyse. On considère pour la suite de la description que le filtre à particules 4 est capable d'oxyder les particules retenues à une température de l'ordre de 400 C. Le catalyseur d'oxydation 3 permet de déclencher une réaction d'oxydation des hydrocarbures introduits par l'injecteur 2. La réaction d'oxydation étant fortement exothermique, on obtient d'une part une augmentation de la température du catalyseur d'oxydation 3 et d'autre part une augmentation de la température des gaz d'échappement traversant le catalyseur d'oxydation 3. Ces gaz chauds traversent ensuite le filtre à particules 4 et augmentent ainsi sa température jusqu'à la température de, par exemple, 400 C, à laquelle la réaction d'oxydation des particules retenues par le filtre à particules 4 peut avoir lieu. L'association de l'injecteur d'hydrocarbures 2 et du catalyseur d'oxydation 3 permet donc d'introduire, sans intervention du contrôle moteur, de l'énergie thermique au sein de la conduite d'acheminement 1, en particulier en amont du filtre à particules 4. Ainsi, lors des départs à froid par exemple, il est possible d'augmenter la température du filtre à particules 4 plus rapidement et en limitant les pertes énergétiques grâce à la proximité du catalyseur d'oxydation 3 et du filtre à particules 4. L'augmentation de la température du filtre à particules 4 permet de le régénérer. Une régénération est généralement déclenchée lorsque la différence de pression entre l'amont et l'aval du filtre à particules 4 dépasse un seuil prédéfini. La mesure de pression peut être assurée, par exemple, par deux capteurs (non représentés) de pression absolue : un premier capteur placé en amont du filtre à particules 4 et un deuxième capteur placé en aval du filtre à particules 4. Les deux capteurs de pression permettent de déterminer l'encrassement du filtre à particules 4 dû aux particules retenues, par l'intermédiaire de la résistance du filtre à particules 4 à l'écoulement des gaz d'échappement. L'injecteur d'hydrocarbures 2 est placé dans un corps 5 en forme d'aile profilée. Le profil du corps 5 est par exemple de forme elliptique avec un bord d'attaque 6 circulaire, un bord de fuite 7 de forme fuyante et une face d'extrémité libre 8 plane. Le corps 5 peut également comprendre un axe de rotation AR parallèle aux bords d'attaque 6 et de fuite 7, et perpendiculaire à l'axe de la conduite d'acheminement 1. Le corps 5 limite, grâce à sa forme profilée, des pertes de charge supplémentaires. De plus, sa taille pouvant être bien plus importante que l'injecteur 2, il est également possible de placer dans le corps 5 un ou plusieurs capteurs. Ainsi, on considère dans le cas présent, que le corps 5 comprend un capteur de température 12 placé à proximité par exemple du bord d'attaque 6. Le capteur de température 12 permet ainsi de connaître la température des gaz d'échappement arrivant sur le catalyseur d'oxydation 3 et d'en déduire éventuellement la quantité d'hydrocarbures à introduire dans la conduite d'acheminement 1 pour que le catalyseur d'oxydation 3 présente la température souhaitée. I1 est également possible de placer dans le corps 5 un capteur de pression, comme par exemple un des capteurs de pression utilisés pour déterminer à quel moment le filtre à particules 4 doit être régénéré. Plus généralement, il est possible d'utiliser pour le corps 5 tout profil utilisé dans l'aéronautique et adapté à la réalisation d'aile d'avion. Notamment, la forme du corps 5 ou sa position dans la conduite d'acheminement 1 sont choisies de manière à créer une différence de pression entre les deux flans du corps 5 qui peuvent alors être assimilés à l'extrados (flan présentant une dépression) et l'intrados (flan présentant une surpression) d'une aile d'avion. La différence de pression entre les deux flans du corps 5 conduit à la formation d'un tourbillon marginal 9 sur le bord de fuite de la face d'extrémité libre 8, c'est-à-dire à l'intersection du bord de fuite 7 et de la face d'extrémité libre 8. Le tourbillon 9 va présenter une forme générale conique de confinement dans lequel les hydrocarbures vont être injectés. Pour cela, le corps 5 comprend un canal d'alimentation 10 capable d'acheminer les hydrocarbures issus de l'injecteur 2 jusqu'à une buse 11 située sur le bord de fuite de la face d'extrémité libre 8. Les hydrocarbures introduits dans la conduite d'acheminement 1 sont ainsi directement entraînés dans le tourbillon marginal 9 et mélangés aux gaz d'échappement. Plus particulièrement, le jet d'hydrocarbures va être brassé et dispersé par centrifugation sur la section d'entrée du catalyseur d'oxydation 3, et permettre ainsi une montée en température uniforme catalyseur d'oxydation 3 et une meilleure régénération du filtre à particules 4. Sur les figures 2 à 4 sont représentés, vus de haut, différents modes de réalisation du corps 5. Les éléments des figures 2 à 4 communs à la figure 1 portent les mêmes références. Sur la figure 2, le corps 5 présente un profil asymétrique et est positionné de manière symétrique dans la conduite d'acheminement 1. Le corps 5 présente ainsi un flan 13 qui constitue l'intrados et un flan 14 qui constitue l'extrados. Plus particulièrement, le flan 13 présente une surface latérale plus grande que celle du flan 14, créant ainsi une différence de pression entre les deux flans 13, 14, même lorsque le corps 5 est positionné de manière symétrique dans la conduite d'acheminement 1. Le corps 5 peut également comprendre, dans ce mode de réalisation, l'axe de rotation AR afin d'accentuer ou au contraire diminuer le tourbillon marginal 9 formé par le corps 5. Sur la figure 3, le corps 5 présente un profil symétrique et est positionné de manière asymétrique ou non dans la conduite d'acheminement 1. Ainsi, selon le positionnement du corps 5 dans la conduite d'acheminement, un flan qui sera l'intrados 13 va présenter une surface latérale plus petite que celle du flan opposé qui sera l'extrados 14. En revanche, lorsque le corps 5 est positionné de manière symétrique, alors la pression sur les flans du corps 5 est identique et il n'y a pas formation d'un tourbillon marginal. L'axe de rotation AR du corps 5 permet ici de définir les périodes d'injection d'hydrocarbures et les périodes sans injection d'hydrocarbure. Dans le premier cas, le corps 5 est tourné autour de son axe AR de manière à prendre de l'incidence et créer un tourbillon marginal 9. Au contraire, lorsqu'il n'y a pas d'hydrocarbure injecté, le corps 5 peut être tourné en position symétrique de manière à créer moins de pertes de charge, notamment par l'absence de tourbillon marginal 9. Sur la figure 4, le corps 5 présente un profil vrillé avec une embase et une face d'extrémité libre 8 symétriques. La forme vrillée permet d'avoir une plus faible traînée (et donc une plus petite perte de charge) et un tourbillon marginal 9 équivalent à celui produit par un corps non-vrillé présentant une face d'extrémité libre identique. On appelle vrillage le décalage angulaire croissant, au fur et à mesure que l'on s'approche de la face d'extrémité libre 8 du corps 5, du profil par rapport à l'embase du corps 5. En particulier, dans le mode de réalisation représenté à la figure 4, l'embase du corps 5 est positionnée de manière symétrique afin de diminuer les pertes de charge, tandis qu'à cause du vrillage du corps 5, la face d'extrémité libre 8 est positionnée asymétriquement, créant ainsi un tourbillon marginal 9. On peut ainsi à la fois limiter les pertes de charge et obtenir un tourbillon marginal 9. Le corps 5 présente ainsi un flan 13 le long duquel la pression va diminuer au fur et à mesure que l'on s'approche de la face d'extrémité libre 8, tandis que la pression sur l'autre flan 14 va augmenter au fur et à mesure que l'on s'approche de la face d'extrémité libre 8. La différence de pression entre les deux flancs 13, 14 du corps 5 augmente donc au fur et à mesure que l'on s'approche de la face d'extrémité libre 8. I1 est également possible, selon un autre mode de réalisation, de disposer plusieurs corps en forme d'aile profilée tels que décrits précédemment, le long de la circonférence de la conduite d'acheminement. Cela permet par exemple de mettre en rotation les gaz d'échappement et d'améliorer le mélange hydrocarbures-gaz d'échappement, même si cela peut augmenter la perte de charge. REVENDICATIONS 1. Système de traitement des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile comprenant : - un filtre à particules (4) disposé dans une conduite d'acheminement (1) des gaz d'échappement, - un catalyseur d'oxydation (3) monté en amont du filtre à particules (4), - un injecteur (2) monté en amont du catalyseur d'oxydation (3) et capable d'introduire des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement (1) des gaz d'échappement, caractérisé en ce que l'injecteur (2) est monté à l'intérieur d'un corps (5) en forme d'aile profilée disposé dans l'écoulement des gaz d'échappement et présentant une face d'extrémité libre (8) au voisinage de l'axe de la conduite d'acheminement (1), le corps (5) en forme d'aile profilée comprenant un canal d'alimentation (10) en hydrocarbures reliant l'injecteur (2) à une buse (11) formée sur le bord de fuite de la face d'extrémité libre (8). 2. Système de traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1 dans lequel le corps (5) en forme d'aile profilée présente une forme asymétrique. 3. Système de traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le corps (5) en forme d'aile profilée est disposé asymétriquement dans l'écoulement des gaz d'échappement. 4. Système de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le corps (5) en forme d'aile profilée est capable de tourner autour d'un axe (AR) parallèle au bord de fuite (7) dudit corps (5) en forme d'aile profilée. 5. Système de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le corps (5) en forme d'aile profilée présente un vrillage. 6. Système de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le corps (5) en forme d'aile profilée est capable de générer, dans l'écoulement des gaz, un tourbillon marginal (9). 7. Système de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le corps (5) en forme d'aile profilée comprend également un capteur de température (12) et/ou un capteur de pression. 8. Procédé de dispersion d'hydrocarbures dans les gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile et circulant dans une conduite d'acheminement (1) comprenant un filtre à particules (4), dans lequel : - on injecte des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement (1) des gaz d'échappement, et - on oxyde les hydrocarbures injectés en amont du filtre à particules (4), caractérisé en ce qu'on génère des turbulences dans l'écoulement des gaz d'échappement et on injecte les hydrocarbures dans les turbulences des gaz d'échappement. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel les turbulences sont un tourbillon marginal (9).