Brevet FR2920472A1 — publié le 20090306

- 1 - DISPOSITIF D'ECHAPPEMENT DE MOTEUR THERMIQUE La présente invention concerne la dépollution des moteurs thermiques, en particulier des moteurs Diesel turbocompressés, associés à un filtre à particules. Elle a pour objet un dispositif d'échappement de moteur thermique turbocompressé comportant, le long du conduit d'échappement, un injecteur de carburant situé entre une turbine du turbocompresseur et un organe de dépollution catalytique, et un filtre à particules (FAP). Les filtres à particules piègent les polluants, mais ne les traitent que lors des phases de régénération, correspondant à des modes de combustion spécifiques. Les régénérations du filtre à particules sont généralement déclenchées par des injections tardives de carburant dans les chambres de combustion du moteur, associées ou non à des injections dans la ligne d'échappement du moteur. La réaction du carburant injecté, dans le catalyseur d'oxydation, dégage de la chaleur, qui permet d'atteindre, en entrée du filtre à particules, une température de l'ordre de 650°C, assurant la combustion des particules à l'intérieur du filtre. Lors de l'injection à l'échappement, le carburant s'évapore, et est entraîné par les gaz d'échappement vers le catalyseur d'oxydation, tout en se mélangeant à ces derniers. Cependant, une fraction du carburant liquide ne s'évapore pas, et se dépose sur les parois de la ligne d'échappement. De plus, la richesse du mélange en entrée du catalyseur, n'est pas uniforme. - 2 Dans ces conditions, la régénération du filtre n'est pas homogène. Des gradients thermiques trop importants au sein de celui-ci peuvent endommager la structure du filtre, et conduire à sa fissuration, notamment en cas d'emballement de la régénération. Par ailleurs, les régénérations hétérogènes en température sont plus longues que les régénérations homogènes. Il a déjà été proposé d'améliorer le mélange air/réducteur dans le conduit d'échappement, en coudant le conduit pour créer dans la ligne d'échappement où le carburant est injecté, un mouvement de type � swirl �, propre à favoriser le mélange du carburant avec les gaz. Mais, l'efficacité des coudes est rarement optimale. En effet, elle dépend de la structure de l'écoulement en amont du dispositif. Le régime de rotation du turbo variant très fortement sur le domaine d'activation de l'injection à l'échappement, la génération et la propagation d'un mouvement de type � swirl � dans le reste de la ligne d'échappement, peut être abaissée de façon conséquente, voire désamorcée sur certains points de fonctionnement du moteur. Une autre solution, illustrée par la publication US200211916, consiste à placer une grille en travers du conduit d'échappement. Cette grille est destinée à mélanger le carburant injecté aux gaz d'échappement, mais, elle n'est pas associée à une turbine de turbocompresseur, et ne permet pas de redresser un flux tourbillonnaire, tel que celui qui est issu d'une turbine de turbocompresseur. La présente invention vise à réduire les risques de régénérations hétérogènes sur un filtre à particules - 3 de moteur turbocompressé, par un contrôle des gradients thermiques du gaz arrosant l'entrée du filtre à particules. Dans ce but, elle propose de disposer dans le conduit d'échappement, en sortie immédiate de la turbine du turbocompresseur, des moyens de redressement de flux, propres à casser, avant son entrée dans le catalyseur, les mouvements tourbillonnaires générés par la turbine, dans le flux des gaz d'échappement. De préférence, le conduit est occupé, sur une partie de sa longueur, par un redresseur, définissant sur l'ensemble de la section du conduit, des canaux longitudinaux parallèles à l'axe du conduit. Le redresseur est avantageusement disposé entre la turbine et un premier coude du conduit en direction d'un organe de dépollution Ces mesures permettent de rendre robuste la génération de � swirl � dans la ligne d'échappement, en 20 aval du redresseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins 25 annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'architecture simplifiée de contrôle moteur post-traitement, -la figure 2 détaille la structure du redresseur de flux de gaz d'échappement, et 30 - les figures 3A et 3B sont des coupes transversales du redresseur, illustrant deux autres modes de réalisation de celui-ci. - 4 - Sur la figure 1, on a fait apparaître schématiquement un bloc moteur 1, avec son collecteur d'admission 2 et son collecteur d'échappement 3. Sur la ligne d'échappement 4, est placée la roue de la turbine 6 d'un turbocompresseur, reliée mécaniquement à la roue de compresseur 7 de celui-ci, située en amont du collecteur d'admission 2. En aval de la turbine 6, on trouve un injecteur de carburant à l'échappement, ou cinquième injecteur 8, destiné à provoquer la régénération du filtre à particules 11, par élévation de la température dans le catalyseur d'oxydation 12 précédant celui-ci. Le catalyseur d'oxydation peut par exemple être intégré au filtre à particules, sous la forme d'un filtre à particules catalytique. Deux capteurs de température (TeDOC et TeFAP) 13, 14, en entrée et en sortie du catalyseur 12 informent le calculateur du moteur (Engine Control Unit ou ECU) 10, qui pilote, en fonction des informations reçues, la pompe d'alimentation 9, du cinquième injecteur 8. Enfin, le conduit 4 porte un organe de redressement 16, du flux d'air sortant de la turbine 6, dont la structure est détaillée sur les figures 2 à 3B. Le redresseur 16 est placé en aval de la roue de turbine 6. Il peut avantageusement être disposé entre la turbine 6 et un premier coude 4a du conduit 4, en direction d'un organe de dépollution tel que le catalyseur 12. Dans le mode de réalisation non limitatif de la figure 2, le redresseur 16 est fixé sur la bride de sortie 17 du carter de turbocompresseur 6a, au moyen d'une entretoise 18. En variante, il peut être accroché à un joint métallique ou associée à d'autres moyens de fixation ou d'intégration sur le conduit, non - 5 représentés. La pièce 16 ne remplit pas une fonction de mélangeur. Son rôle est de redresser le flux de gaz d'échappement, en cassant le � swirl � généré par la rotation de la turbine, offrant ainsi, en aval de cette pièce, une structure aérodynamique semblable, quelle que soit la vitesse de rotation de la turbine. Les figures 2 à 3B illustrent trois modes de réalisation du redresseur 16. Une structure de type nid d'abeille avec des canaux de section quadrangulaires, telle que montrée sur la figure 2, est particulièrement adaptée au besoin. Toutefois, d'autres structures alvéolées, telles que des cellules hexagonales illustrées par la figure 3A, triangulaires (figure 3B), ou autres, peuvent être utilisées sans sortir du cadre de l'invention. Compte tenu de l'ampleur du mouvement de � swirl � généré par la turbine, la densité de canaux dans le redresseur peut être relativement faible, de manière à limiter les pertes de charge induites. Ainsi, des cellules larges d'environ 5mm offrent notamment une efficacité suffisante, sans dégrader fortement la perméabilité du conduit. Toutefois, cette valeur n'a qu'une valeur indicative, qui peut évoluer selon les architectures concernées. La longueur optimale des canaux dépend de leur nombre. Un compromis satisfaisant doit donc être trouvé entre l'efficacité du redressement, et les pertes de charge sur la ligne d'échappement. A titre d'exemple, avec une densité de cellule assez faible (taille des cellules d'environ 5mm) la longueur des canaux peut être équivalente au diamètre du conduit 4. Enfin, le matériau retenu pour cette pièce doit posséder de bonnes caractéristiques mécaniques aux fortes températures en atmosphère oxydante, s'élevant jusqu'à 650 ou 700°C. En conclusion, le dispositif proposé trouve une application sur toute ligne d'échappement de moteur turbocompressé, munie d'un système post traitement avec un injecteur additionnel à l'échappement. Ce dispositif permet d'optimiser le processus de régénération du filtre à particules, sur l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur. Ceci est obtenu grâce à l'uniformité de la distribution de la richesse en entrée du catalyseur (ou le filtre catalytique), c'est-à-dire grâce à l'homogénéité de la fraction massique de carburant en entrée du catalyseur d'oxydation. Le mélange homogène du carburant injecté dans les gaz d'échappement permet de gagner en fiabilité du composant catalyseur, tout en réduisant son taux d'imprégnation. Grâce à cette économie de matériau, l'invention permet un gain économique sur la réalisation du catalyseur. L'efficacité accrue des injections de carburant à l'échappement, sur les régénérations du filtre à particules, permet notamment de diminuer la part des injections tardives de carburant dans les cylindres, qui augmentent la dilution de carburant dans l'huile du moteur. L'invention permet donc aussi d'espacer les vidanges. Enfin, l'implantation d'un redresseur en sortie de la roue de la turbine, diminue fortement les amplitudes des pulsations de pression en aval de la turbine. Or, de telles pulsations peuvent être néfastes si elles entraînent, par un phénomène de reflux, des gouttes liquide de réducteur vers l'arrière, en particulier sur certaines sondes placées - 7 - entre le turbocompresseur et l'injecteur de carburant, telles des sondes de type sonde richesse, qui ne supportent pas d'être arrosées de carburant. Grâce à l'invention les risques de tels arrosages par reflux des gaz d'échappement dans le conduit, sont donc écartés. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échappement de moteur thermique turbocompressé comportant le long du conduit d'échappement (4) un injecteur de carburant (8) situé entre une turbine de turbocompresseur (6) et un organe de dépollution catalytique (12), et un filtre à particules (11), caractérisé en ce qu'il présente dans le conduit d'échappement (4), en sortie immédiate de la turbine (6), des moyens de redressement (16) du flux de gaz d'échappement propres à casser, avant son entrée dans l'organe catalytique (12), les mouvements tourbillonnaires générés par la rotation de la turbine (6). 2. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit est occupé sur une partie de sa longueur par un redresseur (16) définissant sur l'ensemble de la section du conduit des canaux longitudinaux (16a) parallèles à l'axe du conduit. 3. Dispositif d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le redresseur (16) est disposé entre la turbine (6)et un premier coude (4a) du conduit (4), en direction d'un organe de dépollution (12). 4. Dispositif d'échappement selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le redresseur (16) est fixé sur une bride de sortie (17) du turbocompresseur. 5. Dispositif d'échappement selon la revendication 4 caractérisé en ce que le redresseur (16) est accroché sur un joint métallique (18) au niveau de la bride (17) du turbocompresseur. 6. Dispositif d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur des canaux (16a) est équivalente au diamètre du conduit (4). 7. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les canaux (16a) ont une section quadrangulaire. 8. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les canaux 10 (16a) ont une section triangulaire. 9. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les canaux (16a) ont une section hexagonale. 10. Dispositif d'échappement selon l'une des 15 revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur d'oxydation (12) est intégré au filtre à particules (11) sous la forme d'un filtre à particules catalytique.