Brevet FR2928687A1 — publié le 20090918

Ligne d'échappement avec injecteur de réactif. L'invention concerne en général les lignes d'échappement de véhicules automobiles équipés d'injecteurs de réactifs tels que de l'urée. Plus précisément, l'invention concerne une ligne d'échappement de véhicule automobile, du type comprenant : - un conduit comportant un tronçon d'injection, le tronçon d'injection comprenant un canal interne de circulation d'un flux de gaz d'échappement délimité par une paroi latérale et présentant des extrémités amont et aval, le flux de gaz d'échappement comportant des veines centrales de gaz d'échappement dans une zone centrale du canal interne et des veines périphériques de gaz d'échappement à proximité de la paroi latérale ; - un injecteur de réactif, monté sur le tronçon d'injection et apte à injecter un réactif dans le canal interne suivant une direction d'injection. Une telle ligne d'échappement est prévue pour équiper un moteur à combustion interne, par exemple Diesel. Elle comporte un catalyseur prévue pour réaliser la réduction des oxydes d'azote le point d'injection est placé en amont du catalyseur. L'injecteur est prévu pour injecter de l'urée dans la ligne d'échappement, l'urée subissant consécutivement deux réactions chimiques, la thermolyse et l'hydrolyse, et se transformant en ammoniac. Au sein du catalyseur et lorsque les gaz d'échappement atteignent une certaine température, l'ammoniac réagit chimiquement avec les oxydes d'azote, réduisant ceux-ci en azote et en eau. FR-A-2 891 305 décrit une ligne d'échappement dont le conduit comporte des tronçons amont et aval rectilignes, reliés par un tronçon intermédiaire hélicoïdal. Elle comporte un injecteur dont la direction d'injection est sensiblement confondue avec l'axe central du tronçon aval. Les gaz d'échappement issus de la portion intermédiaire hélicoïdale pénètrent tangentiellement dans le tronçon aval. Un tel agencement crée une forte contre-pression dans la ligne d'échappement, qui est nuisible pour le fonctionnement du moteur. Par ailleurs, les gouttelettes de réactif injecté sont entraînées en rotation par les gaz d'échappement et centrifugées contre les parois du conduit d'échappement. Dans certains cas, des dépôts peuvent se créer et entraîner une oxydation prématurée des parois du conduit d'échappement, pouvant aller jusqu'à la perforation. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une ligne d'échappement dont le fonctionnement est plus satisfaisant. A cette fin, l'invention porte sur une ligne d'échappement du type précité, caractérisée en ce que le canal interne du tronçon d'injection présente une ligne centrale s'étendant de l'extrémité amont à l'extrémité avale, le conduit étant conformé de manière à ce que les veines centrales de gaz d'échappement circulent de l'extrémité amont à l'extrémité avale du canal interne sensiblement parallèlement à la ligne centrale, la ligne d'échappement comprenant en outre des moyens pour conférer à au moins certaines veines périphériques un mouvement à travers le canal interne tournant autour d'un axe de rotation faiblement incliné par rapport à l'axe d'injection. La ligne d'échappement peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - Le tronçon d'injection comprend une bosse en saillie par rapport à la paroi latérale et définissant une chambre d'injection communiquant avec le canal interne, la bosse présentant un orifice d'injection, l'injecteur étant apte à injecter le réactif dans le canal interne à partir de l'orifice d'injection suivant la direction d'injection. - Les moyens pour conférer à au moins certaines veines périphériques un mouvement de rotation comprennent une volute. - La volute comprend une partie hélicoïdale portée par la bosse, d'axe faiblement incliné par rapport à la direction d'injection. - L'axe de la partie hélicoïdale forme un angle de moins de 30° avec la direction d'injection. - La volute présente une partie amont portée par la paroi latérale, le tronçon d'injection présentant une section de passage plus grande au droit de la partie amont de la volute qu'à l'extrémité amont du canal interne. - La direction d'injection et la ligne centrale du canal interne sont sécantes. - La ligne centrale est une ligne droite. - Le conduit comprend un tronçon amont et un tronçon aval, les tronçons amont et aval comprenant respectivement des canaux internes amont et aval communiquant directement avec les extrémités amont et aval du canal interne du tronçon d'injection, les canaux internes amont et aval présentant des lignes centrales droites. - La ligne d'échappement comprend un catalyseur de réduction des oxydes d'azote placé en aval du tronçon d'injection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective, de côté, d'un conduit de la ligne d'échappement prévu pour recevoir un injecteur de réactif, l'injecteur étant représenté de manière symbolique ; - la figure 2 est une vue en perspective du conduit de la figure 1, considéré suivant une autre direction ; - la figure 3 est une vue en perspective similaire à celle de la figure 2, une partie du conduit étant arrachée pour laisser apparaître le départ de la volute permettant de conférer un mouvement tournant à certaines veines périphériques de gaz d'échappement ; - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 2, une partie supplémentaire du conduit étant arrachée en vue de laisser apparaître la partie hélicoïdale de la volute ; - la figure 5 est une vue en perspective similaire à celle de la figure 2, des lignes de flux montrant le cheminement de diverses veines de gaz d'échappement étant superposées sur ladite figure. Dans la description qui va suivre, l'amont et l'aval seront entendus relativement au sens de circulation normal des gaz d'échappement. La ligne d'échappement 1 représentée de manière partielle sur la figure 1 est prévue pour être montée sur un véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne, par exemple Diesel. La ligne d'échappement 1 comporte un catalyseur de réduction des oxydes d'azote (non représenté), un conduit 3 situé en amont du catalyseur de réduction des oxydes d'azote et un injecteur 5 prévu pour injecter un réactif dans le conduit 3. Le conduit 3 comporte, entre autre, un tronçon d'injection 7 sur lequel est monté l'injecteur 5, un tronçon aval 9 reliant le tronçon d'injection 7 au catalyseur de réduction des oxydes d'azote et un tronçon amont 11 situé immédiatement en amont du tronçon d'injection 7. Le catalyseur de réduction des oxydes d'azote est raccordé vers l'aval à une canule permettant de relarguer les gaz d'échappement purifiés dans l'atmosphère. Le tronçon amont 11 est raccordé en amont à un collecteur d'échappement non représenté prévu pour capter les gaz d'échappement sortant des chambres de combustion du moteur. D'autres équipements, tels qu'un organe de purification catalytique, ou encore un filtre à particules peuvent être interposés entre le collecteur et le tronçon amont du conduit. Les tronçons 7, 9 et 11 comprennent les canaux internes de circulation d'un flux de gaz d'échappement respectifs disposés dans le prolongement les uns des autres. Le canal interne du tronçon amont 11 est directement raccordé à l'extrémité amont du canal interne du tronçon 7. Le canal interne du tronçon 9 est directement raccordé à une extrémité avale du canal interne du tronçon 7. L'injecteur 5 est prévu pour injecter dans le canal interne du tronçon d'injection un mélange d'eau et d'urée sous forme de gouttelettes. Les gouttelettes se mélangent aux gaz d'échappement, en se vaporisant. L'urée subit des transformations chimiques (thermolyse et hydrolyse) dans le tronçon 9 générant ainsi de l'ammoniac. L'ammoniac va se combiner avec les oxydes d'azote dans le catalyseur de réduction des oxydes d'azote, et forme, par réaction chimique, des produits inertes (azote et eau). Comme visible sur la figure 2, le tronçon d'injection 7 comporte une paroi latérale 13 et une bosse 15. La paroi latérale 13 délimite intérieurement le canal interne 17 de circulation des gaz d'échappement. Elle présente des sections droites sensiblement circulaires. La paroi latérale 13 présente, à proximité des extrémités amont et aval 19 et 21, un premier diamètre sensiblement égal au diamètre des parois des tronçons amont et aval. En revanche, la paroi latérale 13 présente dans une zone centrale 23 du canal interne un second diamètre supérieur au premier. La bosse 15 fait saillie par rapport à la paroi latérale 13. Elle définit intérieurement une chambre d'injection communiquant avec le canal interne 17 du tronçon d'injection. L'ouverture de communication entre la chambre d'injection et le canal interne est de grande taille. Elle couvre toute l'empreinte de la bosse sur la paroi latérale. La bosse 15 présente un orifice 25 d'injection. L'injecteur 5 est monté sur le tronçon d'injection 7. Il est apte à injecter le réactif dans le canal interne 17 à partir de l'orifice d'injection 25 suivant une direction d'injection indiquée par la flèche F1 de la figure 1. La direction d'injection est orientée d'amont en aval et radialement de l'extérieur vers l'intérieur du canal interne. Le canal interne 17 présente une ligne centrale L1 s'étendant de l'extrémité amont 19 vers l'extrémité aval 21. La ligne L1 passe par les centres géométriques de chacune des sections droites du canal interne. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la ligne L1 est sensiblement rectiligne. La direction d'injection F1 et la ligne centrale L1 sont sécantes. Les tronçons 9 et 11 sont également cylindriques, au moins dans des parties d'extrémité à proximité du tronçon d'injection 7, et présentent dans lesdites parties des lignes centrales respectives L2 et L3 également rectilignes. Les lignes L1, L2 et L3 sont alignées. Comme visible sur la figure 5, le flux des gaz d'échappement traversant le tronçon d'injection comporte des veines centrales 27 de gaz d'échappement dans une zone centrale du canal interne, et des veines périphériques 29 à proximité de la paroi latérale 13 du canal interne. De manière à créer un mouvement rotatif dans la chambre d'injection, la ligne d'échappement comporte des moyens 31 pour conférer à au moins certaines veines périphériques 29 un mouvement à travers le canal interne 17 tournant autour d'un axe de rotation faiblement incliné par rapport à l'axe d'injection. Les moyens 31 comportent une volute 33. La volute 33 comporte une partie amont d'aspiration 35 portée par la paroi latérale 13, et une partie hélicoïdale 37 portée par la bosse 15. La volute 33 est ouverte vers le canal interne ou vers la chambre d'injection sur toute sa longueur. La partie amont 35 fait saillie par rapport à la paroi latérale 13. Ainsi, le tronçon d'injection 7 présente une section de passage pour les gaz d'échappement plus grande au droit de ladite partie amont 35 de la volute qu'à l'extrémité amont 19 ou que dans le tronçon amont 11. De ce fait, les gaz d'échappement sont aspirés. Du fait de cette aspiration, les gaz sont accélérés et peuvent suivre la volute plus facilement. La partie 37 présente une forme hélicoïdale d'axe faiblement incliné par rapport à la direction d'injection. Ledit axe forme un angle de moins de 30° avec la direction d'injection. De préférence, l'axe forme un angle de moins de 15° avec la direction d'injection, l'axe étant par exemple confondu avec la direction d'injection. La partie 37 s'étend par exemple sur environ 270° autour de son axe. La partie 37 fait saillie par rapport à la bosse 15. La partie hélicoïdale 37 présente une section sensiblement en demi-disque. La section de la partie hélicoïdale va en se rétrécissant à partir de la partie 35 jusqu'à l'extrémité 39 opposée à la partie 35. Le fonctionnement de la ligne d'échappement décrite ci-dessus va maintenant être détaillé. Grâce à une sonde à oxydes d'azote, le calculateur de pilotage de la ligne d'échappement détermine la quantité nécessaire de solution d'urée, qui, une fois transformée en ammoniac, réduira les oxydes d'azote dans le catalyseur dédié. L'injecteur 5 projette suivant la direction d'injection F1 des gouttelettes de mélange d'eau et d'urée. Les gouttelettes sont projetées en cône à partir de l'orifice 25. Les gaz d'échappement captés par le collecteur d'échappement, sont canalisés jusqu'au tronçon amont 11 et pénètrent dans le tronçon d'injection par l'extrémité amont 19. A l'extrémité amont 19, toutes les veines de gaz d'échappement, aussi bien les veines centrales que les veines périphériques, sont parallèles aux lignes centrales L1 et L3. Du fait de la forme du conduit, notamment de la forme du tronçon amont et du tronçon d'injection, les veines centrales 27 traversent le tronçon d'injection sensiblement parallèlement à la ligne centrale L1. Comme visible sur la figure 5, les lignes centrales 27 ne sont pratiquement pas déviées en traversant le tronçon d'injection 7. En revanche, les veines périphériques 29 situées en regard de la partie amont 35 de la volute vont être aspirées dans la volute 33, comme visible sur la figure 5. Cet effet est d'autant plus sensible que la section de passage offerte aux gaz d'échappement augmente au droit de la portée amont 35. Les veines périphériques 29 qui circulent au regard d'autres zones de la paroi latérale 13 ne sont pas aspirées dans la volute 33. Les veines de gaz d'échappement entrant dans la volute 33 parcourent celle-ci jusqu'à son extrémité opposée 39. Ces veines de gaz acquièrent ainsi, en plus de leur composante de vitesse parallèle de la ligne centrale L1, une composante de vitesse en rotation autour de l'axe d'injection. Ces veines périphériques vont donc suivre un mouvement hélicoïdal d'axe correspondant sensiblement à la direction d'injection ou d'axe faiblement incliné par rapport à la direction d'injection. On entend ici par faiblement incliné le fait qu'il forme un angle inférieur à 30° par rapport à la direction d'injection. On crée ainsi autour du cône de gouttelettes un manteau de gaz qui empêche les gouttelettes de liquide de toucher les parois de la bosse 15, au moins à proximité du trou d'injection 25. Les veines de gaz aspirées par la volute 33 balayent en continu la zone proche de l'orifice 25 des gouttelettes de liquide. Elles empêchent ainsi le dépôt du liquide sur les parois internes de la bosse entre deux injections successives. Par ailleurs, le mouvement tourbillonnaire hélicoïdal des veines de gaz entraînent autour de la direction d'injection les gouttelettes de liquide injecté, notamment les gouttelettes les plus légères. Les gouttelettes sont entraînées vers les veines centrales de gaz d'échappement. Ces veines centrales circulent parallèlement à la ligne centrale L1 et n'ont donc pas tendance à projeter de manière centrifuge les gouttelettes sur la paroi latérale 13 du tronçon d'injection. De plus, ceci contribue à améliorer le mélange entre les gouttelettes injectées et les gaz d'échappement. Par ailleurs, le mouvement hélicoïdal des veines périphériques de gaz d'échappement autour de la direction d'injection empêche la formation d'un vortex à l'intérieur de la bosse. En effet, en l'absence de cette circulation hélicoïdale des veines périphériques de gaz, il pourrait se créer dans la bosse un vortex de gaz d'échappement en rotation autour d'un axe perpendiculaire à la direction générale de circulation des gaz d'échappement, c'est-à-dire à la ligne centrale L1. Ce vortex tend à projeter les gouttelettes de liquide sur les parois internes de la chambre d'injection, et à créer des dépôts. Des amalgames solides peuvent se créer à l'intérieur des dépôts, constitués par de l'urée et des produits de décomposition de l'urée, par cristallisation. Ces dépôts présentent une forte adhérence et peuvent à la longue être préjudiciables au bon fonctionnement du dispositif d'injection. Par ailleurs, certains produits de décomposition de l'urée (acide cyanique ou isocyanique, amélide, améline...) sont très acides et peuvent provoquer une corrosion importante des parois de la chambre d'injection. La ligne d'échappement décrite ci-dessus présente encore d'autres avantages. Le conduit peut être obtenu simplement, notamment par moulage du tronçon d'injection. Il est facile de calibrer l'intensité du mouvement hélicoïdal des gaz autour de la direction d'injection. Il suffit pour cela d'ajuster la section interne de la volute par rapport à la section du passage du canal interne. Ainsi, on capte dans la volute une proportion plus ou moins grande des gaz d'échappement. Par exemple, la partie hélicoïdale 37, à la jonction avec la partie amont 35, présente une section de passage sensiblement égale à 30% de la section droite du canal interne. La ligne d'échappement peut présenter de multiples variantes. La volute peut s'enrouler autour de la direction d'injection suivant le sens horaire ou suivant le sens anti-horaire. La partie 37 de la volute qui entoure la direction d'injection n'est pas nécessairement hélicoïdale. Elle peut former une spirale autour de la direction d'injection. Elle peut également former un cercle autour de la direction d'injection. En tout état de cause, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la volute possède une forme générale en escargot, d'axe faiblement incliné par rapport à la direction d'injection. L'injecteur peut injecter non pas de l'urée mais un autre liquide réactif, par exemple du carburant. L'injecteur 5 peut être de tout type. Les lignes centrales L1, L2, L3 des tronçons d'injection du tronçon amont du tronçon aval peuvent être alignés comme décrit ci-dessus. Alternativement, les lignes centrales respectives des tronçons amont et aval peuvent former un angle l'un par rapport à l'autre. De même, la ligne centrale du tronçon d'injection peut former un angle avec la ligne centrale du tronçon aval et/ou avec la ligne centrale du tronçon amont. La ligne centrale du tronçon d'injection n'est pas forcément une droite mais peut comporter une ou plusieurs portions légèrement courbes. Le tronçon d'injection peut comporter une ou plusieurs restrictions et un ou plusieurs évasements. Dans un mode de réalisation non préféré, la direction d'injection n'est pas sécante avec la ligne centrale du tronçon d'injection. On entend ici par tronçon d'injection le tronçon du conduit s'étendant, en amont, jusqu'à l'extrémité de la partie amont 35 de la volute, et en aval jusqu'à l'extrémité avale de la bosse. REVENDICATIONS 1. Ligne d'échappement de véhicule automobile, la ligne d'échappement (1) comprenant : - un conduit (3) comportant un tronçon d'injection (7), le tronçon d'injection (7) comprenant un canal interne (17) de circulation d'un flux de gaz d'échappement délimité par une paroi latérale (13) et présentant des extrémités amont et aval (19, 21), le flux de gaz d'échappement comportant des veines centrales (27) de gaz d'échappement dans une zone centrale du canal interne (17) et des veines périphériques (29) de gaz d'échappement à proximité de la paroi latérale (13) ; - un injecteur (5) de réactif, monté sur le tronçon d'injection (7) et apte à injecter un réactif dans le canal interne (17) suivant une direction d'injection (F1) ; caractérisée en ce que le canal interne (17) du tronçon d'injection (7) présente une ligne centrale (L1) s'étendant de l'extrémité amont (19) à l'extrémité aval (21), le conduit (3) étant conformé de manière à ce que les veines centrales (27) de gaz d'échappement circulent de l'extrémité amont (19) à l'extrémité aval (21) du canal interne (17) sensiblement parallèlement à la ligne centrale (L1), la ligne d'échappement (1) comprenant des moyens (31) pour conférer à au moins certaines veines périphériques (29) un mouvement à travers le canal interne (17) tournant autour d'un axe de rotation faiblement incliné par rapport à la direction d'injection (F1). 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tronçon d'injection (7) comprend une bosse (15) en saillie par rapport à la paroi latérale (13) et définissant une chambre d'injection communiquant avec le canal interne (17), la bosse (15) présentant un orifice d'injection (25), l'injecteur (5) étant apte à injecter le réactif dans le canal interne (17) à partir de l'orifice d'injection (25) suivant la direction d'injection (F1). 3. Ligne d'échappement selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens (31) pour conférer à au moins certaines veines périphériques (29) un mouvement de rotation comprennent une volute (33). 4. Ligne d'échappement selon la revendication 3, caractérisée en ce que la volute (33) comprend une partie hélicoïdale (37) portée par la bosse (15), d'axe faiblement incliné par rapport à la direction d'injection (F1). 5. Ligne d'échappement selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'axe de la partie hélicoïdale (37) forme un angle de moins de 30° avec la direction d'injection (F1). 6. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que la volute (33) présente une partie amont (35) portée par la paroi latérale (13), le tronçon d'injection (7) présentant une section de passage plus grande au droit de la partie amont (35) de la volute (33) qu'à l'extrémité amont (19) du canal interne (17). 7. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la direction d'injection (F1) et la ligne centrale (L1) du canal interne (17) sont sécantes. 8. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ligne centrale (L1) est une ligne droite. 9. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit (3) comprend un tronçon amont (11) et un tronçon aval (9), les tronçons amont et aval (11, 9) comprenant respectivement des canaux internes amont et aval communiquant directement avec les extrémités amont et aval (19, 21) du canal interne (17) du tronçon d'injection (7), les canaux internes amont et aval présentant des lignes centrales (L3, L2) droites. 10. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un catalyseur de réduction des oxydes d'azote placé en aval du tronçon d'injection (7).