Brevet FR2920471A1 — publié le 20090306

Dispositif de post-traitement des qaz d'échappement L'invention se situe dans le domaine de la dépollution diesel et plus particulièrement dans le domaine des dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement disposés dans un conduit d'échappement des moteurs à mélange pauvre. Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel, les systèmes de post-traitement des gaz d'échappement disposés dans une ligne ou un conduit d'échappement des moteurs à mélange pauvre fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est à dire qu'en fonctionnement normal io ils piègent les polluants mais ne les traitent que lors des phases de régénération. Ainsi pour être régénérés, ces pièges nécessitent des modes de combustion spécifiques afin de garantir les niveaux de thermique et/ou de richesse nécessaire. Afin de répondre aux futures réglementations européennes (Euro V), 15 les moteurs diesel doivent être mis au point de façon à produire le moins possible d'émissions polluantes à l'échappement, le reste devant être converti par des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement. Les moteurs Diesel, par leur fonctionnement spécifique, émettent dans leurs gaz d'échappement des suies que l'on nomme également particules. 20 Afin de limiter les émissions de ces particules dans l'atmosphère, un filtre à particules est implanté dans la ligne d'échappement, en aval des chambres de combustion du moteur, permettant de retenir les particules qui s'accumulent en son sein au fur et à mesure de l'utilisation du moteur. Les moteurs à combustion interne émettent également des réducteurs 25 par exemple des hydrocarbures, ou du monoxyde de carbone, qui en présence d'oxygène, de matériaux catalytiques, par exemple le platine, et à température élevée, s'oxydent. Afin de diminuer ces émissions polluantes, on dispose également dans la ligne d'échappement, soit un catalyseur d'oxydation en amont du 30 filtre à particules, soit directement un matériau catalytique au sein du filtre. Un des problèmes de ces dispositifs est que l'accumulation de particules finit par boucher le filtre, créant une forte contre pression à l'échappement du moteur, c'est à dire que les gaz ont du mal à s'échapper du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances. Afin de recouvrer les performances du moteur, il est possible de brûler les particules contenues dans le filtre à particules. Cette procédure est une régénération du filtre à particules. L'initialisation et le maintien de cette combustion des particules dans le filtre s'obtiennent par élévation de la température interne du filtre à particules. io Actuellement il existe plusieurs stratégies pour augmenter la température des gaz d'échappement en entrée du filtre à particules. Une solution proposée, notamment par le brevet JP 2005 214 141, pour effectuer la régénération, consiste à utiliser un injecteur de gazole directement sur l'échappement. Lors de la régénération, cet injecteur injecte 15 du gazole dans la ligne d'échappement. Le gazole réagit dans le catalyseur d'oxydation et produit de la chaleur. Cette chaleur permet d'atteindre la température voulue en entrée du filtre à particules (TEFAP) de l'ordre de 650°C nécessaire à la combustion des particules dans le filtre à particules. Lors de l'injection par l'injecteur à l'échappement, le carburant s'évapore et 20 est entraîné par les gaz d'échappement vers le catalyseur d'oxydation tout en se mélangeant à ces derniers. L'inconvénient dans ce type de dispositif est que la distance entre la zone de vaporisation du film de gazole à la surface du tube d'échappement et l'entrée du catalyseur est insuffisante pour avoir un mélange homogène en 25 entrée du catalyseur. Une autre solution proposée repose sur la modification de la forme du tube d'échappement du côté où le carburant injecté s'évapore. Ceci entraîne un décollement du nuage de la surface du tube. Le décollement du nuage, dont la richesse est élevée, favorise son mélange avec le reste des gaz 30 d'échappement. L'inconvénient d'un tel système est qu'il tend à gêner le passage des gaz d'échappement et donc à augmenter la contre pression à l'échappement, ce qui tend à dégrader le rendement du moteur. Une autre solution consiste à injecter des réducteurs au niveau d'un coude dans la ligne d'échappement afin que le carburant soit injecté parallèlement aux gaz d'échappement. Cependant, cette méthode ne permet pas de réaliser un mélange correct des espèces réductrices avec les gaz d'échappement, ce qui entraîne une combustion inhomogène dans le catalyseur d'oxydation. io Afin de pallier ces inconvénients, la présente invention a pour objet un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement permettant de réduire le risque de fatigue prématurée et de détérioration du revêtement catalytique du catalyseur d'oxydation. Dans ce but, l'invention propose un dispositif de post-traitement des 15 gaz d'échappement disposé dans un conduit d'échappement comportant des moyens d'oxydation, un filtre à particules et des moyens de contrôle de la pression du filtre à particules caractérisé en ce qu'il comporte un injecteur de carburant supplémentaire disposé pour l'injection de carburant dans une pré-chambre de manière à améliorer l'homogénéité du mélange gaz 20 d'échappement-carburant en entrée des moyens d'oxydation, la pré-chambre étant formée dans le conduit d'échappement en amont des moyens d'oxydation et étant délimitée par une plaque d'impact disposée dans la continuité du conduit d'échappement et chauffée par le flux chaud des gaz d'échappement. 25 Un tel dispositif permet d'améliorer l'uniformité de la distribution de la richesse en entrée du catalyseur en améliorant l'homogénéité de la fraction massique de carburant en entrée du catalyseur d'oxydation. En effet, plus le mélange sera homogène, plus l'exothermicité dans le catalyseur d'oxydation sera homogène, plus les températures gaz en entrée filtre à particules le 30 seront aussi, ce qui améliore la régénération du filtre à particules. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - l'injecteur supplémentaire de carburant peut vaporiser du carburant sur la plaque d'impact chaude pour le mélanger aux gaz d'échappement chauds, le mélange gaz d'échappement-carburant ainsi formé étant apte à se propager dans une couronne annulaire formée sur le contour du conduit d'échappement. - la plaque d'impact a une face orientée vers les gaz d'échappement chauds vers l'intérieur du conduit d'échappement, qui peut être lisse, - la plaque d'impact a une face orientée vers l'intérieur du conduit io d'échappement qui peut comporter des ailettes de manière à augmenter la température de sa paroi, - la couronne annulaire peut comporter des ouvertures calibrées permettant l'introduction du mélange gaz d'échappement-carburant dans le conduit d'échappement, 15 - les ouvertures proches de l'injecteur supplémentaire peuvent avoir une section sensiblement inférieure à celles des ouvertures disposées à l'opposée de l'injecteur supplémentaire. L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, ressortira plus 20 clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs dans lesquels : - La figure 1 est une vue d'ensemble schématique du dispositif selon l'invention; - La figure 2 est une coupe de profil de la zone A de la figure 1 ; 25 - La figure 3 est une coupe transversale de la zone A de la figure 1 ; - La figure 4 est une représentation schématique d'une variante de la plaque de l'invention. L'invention va à présent être décrite en référence aux figures 1 à 4. A la figure 1, on a représenté un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement disposé sur un conduit ou une ligne d'échappement 10, en 30 aval d'un moteur à combustion par exemple à quatre cylindres muni d'un système d'injection 8. Le conduit 10 d'échappement comporte des moyens 13 d'oxydation. Ces moyens 13 d'oxydation sont formés par un catalyseur, en aval duquel se trouve un filtre à particules 12. Un injecteur 5 de carburant supplémentaire relié à une pompe 11 chargée de son alimentation en carburant, est positionné en amont du catalyseur 13. Un boîtier 9 électronique embarquée contrôle le dispositif et permet de io déterminer la nécessité de régénérer le filtre à particules 12 au moyen d'une mesure de pression différentielle. Cette mesure de pression différentielle est mesurée aux bornes du filtre 12 à l'aide par exemple d'un capteur de pression différentielle 121, et permet de modifier le mode d'injection 81 de carburant, en favorisant l'injection cylindre et/ou l'injection à l'échappement. 15 Le dispositif comporte également deux capteurs 132, 132' de température positionnés en entrée 132 du filtre 12 à particules et en amont 132' du catalyseur 13 et reliés 131, 131' au boîtier 9 électronique pour réguler la température du catalyseur 13. L'injecteur 5 d'échappement supplémentaire est disposé de façon à 20 injecter le carburant dans une pré-chambre 1 illustrée sur les figures 2 et 3. Cette pré-chambre 1 est formée dans le conduit 10 d'échappement en amont des moyens 13 d'oxydation et est délimitée par une plaque 7 d'impact. La plaque 7 d'impact est disposée dans la continuité du conduit 10 d'échappement et est chauffée par le flux 4 de gaz chauds d'échappement. 25 La pré-chambre 1 délimitée par la plaque 7 forme ainsi un espace dans lequel débouche l'injecteur 5 supplémentaire d'échappement. De cette façon l'injecteur 5 supplémentaire d'échappement permet la vaporisation 3 du carburant sur la plaque 7 d'impact chaude qui va se mélanger aux gaz d'échappement 4 chauds et se propager dans une couronne 2 annulaire 30 formée sur le contour du conduit 10 d'échappement par un élargissement de son diamètre. La couronne 2 annulaire comporte des ouvertures 15, 16 calibrées permettant l'injection du mélange 6 gaz d'échappement-carburant dans le conduit 10 d'échappement. Les ouvertures 15, de cette couronne 2 annulaire, situées proche de l'injecteur 5 supplémentaire ont une section sensiblement inférieure à celle des ouvertures 16 disposées à l'opposée de l'injecteur 5 supplémentaire. Dans une première variante illustrée sur les figures 2 et 3, la face de la plaque 7 d'impact a une face orientée vers l'intérieur du conduit d'échappement 10, orientée vers les gaz 4 chauds, qui est lisse. io Dans une autre variante la plaque 7 d'impact comporte des ailettes 71 sur sa face en contact avec les gaz d'échappement 4 chauds, orientée vers l'intérieur du conduit d'échappement 10, permettant d'augmenter la température de sa paroi. Ce dispositif permet ainsi plusieurs améliorations de is l'homogénéisation du mélange. Le jet de carburant 3 vient se vaporiser sur la paroi 7 chaude du conduit 10 puis se mélange avec les gaz 4 chauds entrant dans la pré-chambre 1. De cette façon les fractions liquides ne sont pas directement injectées dans le conduit 10 d'échappement évitant ainsi de fortes 20 concentrations d'hydrocarbures en entrée catalyseur 13. Dans un second temps, le mélange gaz d'échappement-carburant 6 ainsi formé se réparti radialement via la couronne 2 de mélange par des ouvertures 15, 16 calibrées pour permettre d'introduire de façon homogène le mélange sur toute la périphérie du conduit 10. Les ouvertures 15 situées 25 proche de l'injecteur supplémentaire ayant une section sensiblement inférieure à celle des ouvertures 16 disposées à l'opposé de l'injecteur supplémentaire 5. Ce mélange 6 gaz d'échappement-carburant homogène assure une combustion correctement répartie sur l'ensemble de la section du catalyseur 30 13 d'oxydation. Cela permet d'éviter la propagation d'une zone de forte richesse en réducteurs le long de la paroi, ce qui réduit d'une façon importante le risque de fatigue prématurée ou de détérioration du revêtement catalytique dû à une combustion des réducteurs trop forte au niveau des zones de forte richesse. Par ailleurs, on régénère plus efficacement le filtre 12 à particules qui est arrosé de façon homogène thermiquement : il n'y a plus de zone trop froide qui ne permettrait pas la régénération, ni de zone trop chaude qui conduirait à un emballement de la combustion des suies. Un tel dispositif de post-traitement des gaz d'échappement permet de réduire le risque de fatigue prématuré ou de détérioration du revêtement catalytique du catalyseur d'oxydation. Le mélange gaz d'échappement- Io carburant est homogène en entrée du catalyseur d'oxydation, ce qui augmente les températures en entrée filtre à particules. REVENDICATIONS 1. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement disposé dans un conduit d'échappement (10) comportant des moyens d'oxydation (13), un filtre à particules (12) et des moyens de contrôle (121) de la pression du filtre à particules caractérisé en ce qu'il comporte un injecteur (5) de carburant supplémentaire disposé pour l'injection de carburant dans une pré-chambre (1) de manière à améliorer l'homogénéité du mélange (6) gaz d'échappement-carburant en entrée des moyens (13) d'oxydation, la pré-chambre (1) étant formée dans le conduit (10) d'échappement en amont des io moyens (13) d'oxydation et étant délimitée par une plaque (7) d'impact disposée dans la continuité du conduit (10) d'échappement et chauffée par le flux (4) chaud des gaz d'échappement. 2. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur (5) supplémentaire de is carburant vaporise (3) du carburant sur la plaque (7) d'impact chaude pour le mélanger aux gaz d'échappement (4) chauds, le mélange (6) gaz d'échappement-carburant ainsi formé étant apte à se propager dans une couronne (2) annulaire formée sur le contour du conduit (10) d'échappement. 3. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la 20 revendication 2, caractérisé en ce que la plaque (7) d'impact a une face lisse orientée vers les gaz d'échappement chauds (4) vers l'intérieur du conduit d'échappement (10). 4. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque (7) d'impact a une face 25 orientée vers l'intérieur du conduit (10) d'échappement comportant des ailettes (71) de manière à augmenter la température de sa paroi. 5. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la couronne (2) annulaire comporte des ouvertures (15, 16) calibrées permettant l'introduction du mélange gaz d'échappement-carburant (6) dans le conduit (10) d'échappement. 6. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 5 caractérisé en ce que les ouvertures (15) proches de l'injecteur (5) supplémentaire ont une section sensiblement inférieure à celles des ouvertures (16) disposées à l'opposée de l'injecteur (5) supplémentaire. Io