Brevet FR2924750A1 — publié le 20090612

LIGNE D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION APTE A AMELIORER L'HOMOGENEISATION DU MELANGE DES GAZ D'ECHAPPEMENT L'invention concerne le domaine général des dispositifs de traitement catalytique pour gaz d'échappement de moteur à combustion interne de véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement une ligne d'échappement comportant un dispositif d'introduction de carburant, apte à améliorer l'homogénéisation du mélange des gaz d'échappement avec du carburant introduit dans ladite ligne. L'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs, en particulier dans les moteurs Diesel, a pour effet de générer des particules de carbone polluantes dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère. Parmi les systèmes connus pour réduire considérablement la quantité de particules émises dans l'atmosphère, et satisfaire aux normes antipollution, on peut citer le filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur. En effet, un tel filtre est conçu de manière à pouvoir retenir les particules contenues dans les gaz d'échappement qui le traversent. Cependant, au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contre-pression importante à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances. A cet égard, des dispositifs de régénération pilotés permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter ainsi une élévation importante de la contre-pression à l'échappement et un colmatage du filtre. Cette régénération est effectuée en élevant la température au niveau du filtre à particules jusqu'à une température de l'ordre de 650°C, à partir de laquelle les particules de carbone retenues dans le filtre s'enflamment instantanément. Pour ce faire, on peut procéder à une injection retardée de carburant, ou post-injection, dans les chambres de combustion du moteur. On peut, en particulier, injecter du carburant après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement. Toutefois, une telle injection retardée présente l'inconvénient d'élever la température des gaz d'échappement très en amont du filtre à particules, ce qui est susceptible d'engendrer une fatigue mécanique et de provoquer un phénomène de dilution du carburant dans l'huile de lubrification du moteur. Il en découle ainsi une dégradation de ses propriétés physicochimiques pouvant aboutir à une usure prématurée du moteur. Pour procéder à une régénération du filtre, on peut également prévoir un dispositif de traitement des gaz d'échappement monté sur la ligne d'échappement et pourvu d'un catalyseur d'oxydation et d'un injecteur de carburant disposé en amont du catalyseur d'oxydation, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement représenté par les flèches 5 et 50. Un catalyseur d'oxydation permet d'oxyder en dioxyde de carbone et eau les produits résiduels de combustion tels que le monoxyde de carbone. Lors de l'injection de carburant par l'injecteur supplémentaire disposé sur la ligne d'échappement, le carburant s'évapore et est entraîné par les gaz d'échappement vers le catalyseur d'oxydation, en se mélangeant aux gaz d'échappement du moteur. La richesse des gaz d'échappement du moteur caractérise la masse de carburant par unité de masse de gaz d'échappement. Le niveau moyen de la réaction exothermique dans le catalyseur d'oxydation dépend de la richesse moyenne des gaz en entrée du catalyseur d'oxydation. Or, la richesse des gaz en entrée du catalyseur n'est pas uniforme, et des zones de gaz de richesse élevée peuvent apparaître, notamment sur une portion de paroi de la ligne d'échappement. De telles zones, dans lesquelles la richesse des gaz d'échappement est élevée, provoquent des températures plus fortes au sein du catalyseur. Dans ces conditions, on conçoit aisément que le catalyseur d'oxydation soit fortement sollicité thermiquement, ce qui peut être à l'origine d'un vieillissement anticipé, voire de la destruction de celui-ci. La demande de brevet européen EP 1 643 092 (ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH) propose un injecteur de carburant disposé dans une conduite d'échappement d'un moteur, qui comporte des moyens de vaporisation du carburant avant son injection dans la conduite d'échappement. L'injecteur de carburant comporte un unique orifice d'injection du carburant vaporisé, qui est centré sur et dirigé selon l'axe de la conduite d'échappement. Cette solution permet d'améliorer l'homogénéité de la richesse des gaz d'échappement en entrée du catalyseur d'oxydation lorsque ce dernier est situé à une distance suffisante de l'injecteur de carburant. En effet, à proximité de l'orifice d'injection, la richesse en carburant du mélange de gaz est beaucoup plus importante au centre de la conduite d'échappement qu'à proximité de sa paroi latérale, et ce n'est qu'au bout d'une certaine distance que la richesse de carburant du mélange de gaz d'échappement est sensiblement la même au centre de la conduite d'échappement et à proximité de sa paroi latérale. Or, dans les moteurs actuels, le catalyseur d'oxydation et l'injecteur de carburant sont rapprochés. Aussi, la solution proposée par le document EP 1 643 092 ne permet pas, sur cette distance réduite, d'obtenir un mélange des gaz d'échappement et de carburant vaporisé assez homogène pour éviter un vieillissement anticipé ou une destruction du catalyseur d'oxydation. La demande de brevet français FR 06 10138 (Renault) propose une nouvelle ligne d'échappement dans laquelle la richesse de carburant dans les gaz d'échappement a une homogénéité améliorée à l'entrée du catalyseur d'oxydation, en particulier lorsque la distance entre le catalyseur d'oxydation et l'injecteur de carburant est réduite. Ce document divulgue une ligne d'échappement de moteur à combustion interne comportant une conduite d'échappement et, en amont de moyens de dépollution et de filtrage, un injecteur de carburant pourvu d'un orifice d'injection orienté sensiblement selon l'axe de la conduite d'échappement. L'injecteur de carburant comporte un autre orifice d'injection orienté sensiblement selon l'axe de la conduite d'échappement, les deux orifices d'injection étant répartis de part et d'autre de l'axe de la conduite d'échappement. L'utilisation de deux orifices d'injection, répartis de part et d'autre de l'axe de la conduite d'échappement et orientés selon cet axe, permet de mieux répartir le carburant vaporisé dans les gaz d'échappement. Toutefois, la réalisation d'orifices permettant d'équilibrer les débits en tenant compte des pertes de charge se révèle complexe. En outre, le faible diamètre de certains orifices d'injection peut entraîner un encrassement de ces orifices d'injection. La présente invention vise à résoudre ces différents inconvénients, de manière moins complexe, et à coût réduit. A cet effet, l'invention a pour objet une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un dispositif de traitement des gaz d'échappement, un dispositif d'introduction de carburant apte à introduire du carburant selon un axe d'introduction disposé sensiblement dans l'axe de la ligne d'échappement en amont du dispositif de traitement relativement au sens de circulation des gaz d'échappement, caractérisée en ce que la ligne d'échappement comporte un étranglement, disposé entre le dispositif d'introduction de carburant et le dispositif de traitement des gaz d'échappement de sorte que le mélange constitué par les gaz d'échappement et le carburant introduit est homogénéisé en amont du dispositif de traitement des gaz d'échappement. Ainsi, sur une distance réduite, la richesse du mélange entre les gaz d'échappement du moteur et le carburant introduit dans la ligne d'échappement a une homogénéité améliorée, ce qui limite les risques de dégradation du catalyseur d'oxydation. Avec un tel système, il devient dès lors possible d'obtenir une homogénéité améliorée de la richesse des gaz en entrée du catalyseur d'oxydation de manière particulièrement économique et fiable. Selon d'autres caractéristiques. : - l'étranglement peut comporter une première section décroissante et une deuxième section croissante, ladite section décroissante convergeant vers l'axe d'injection, apte à diriger les gaz d'échappement vers l'axe d'injection, la première section décroissante peut être courbée, la première section décroissante peut être rectiligne, la deuxième section croissante peut être arquée, la deuxième section croissante peut être rectiligne, la deuxième section croissante peut être rectiligne selon un axe vertical sensiblement orthogonal à l'axe d'injection, créant un changement de section brusque entre la première section décroissante et la deuxième section croissante, - l'étranglement peut être disposé à une distance sensiblement inférieure à 10 centimètres du dispositif d'introduction de carburant. L'invention concerne également un véhicule automobile comportant une telle ligne d'échappement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre et d'un mode de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe transversale de la ligne d'échappement selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue en coupe transversale de la ligne d'échappement selon un autre mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une ligne d'échappement, désignée par la référence numérique générale 1, dans une position supposée horizontale, reliée à un moteur à combustion interne non représenté de véhicule automobile. La ligne d'échappement 1 comprend un dispositif de traitement (non représenté) des gaz d'échappement issus du moteur. Le dispositif de traitement comprend un filtre à particules (non représenté) et un catalyseur d'oxydation (non représenté), disposé en amont du filtre à particules , en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement du moteur à l'intérieur de la ligne d'échappement 1. Le filtre à particules comporte des moyens, par exemple électrostatiques, pour piéger les suies et les particules provenant du moteur et véhiculées par les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement 1. La ligne d'échappement 1 comporte un dispositif d'introduction de carburant apte à injecter ou vaporiser du carburant selon un axe d'introduction 21 disposé sensiblement dans l'axe de la ligne d'échappement en amont du dispositif de traitement relativement au sens de circulation des gaz d'échappement. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif d'introduction de carburant est un injecteur de carburant 2 monté en amont du catalyseur d'oxydation permettant de réchauffer les gaz d'échappement lors de phases de régénération du filtre à particules, L'injecteur de carburant 2 et le catalyseur d'oxydation permettent d'augmenter la température des gaz d'échappement avant leur entrée à l'intérieur du filtre à particules. L'injecteur de carburant 2 comprend des moyens d'alimentation en carburant et des moyens de vaporisation du carburant, non représentés sur la figure 1, permettant d'injecter du carburant vaporisé dans la conduite d'échappement, ce qui permet d'améliorer le mélange de carburant introduit avec les gaz d'échappement:. En variante, l'injecteur de carburant 2 peut injecter du carburant sous forme liquide. La ligne d'échappement comporte une section de gaz d'échappement réduite formant un étranglement 3, disposée entre le dispositif d'introduction de carburant et le dispositif de traitement des gaz d'échappement. Un tel étranglement permet au mélange constitué par les gaz d'échappement et le carburant introduit d'être homogénéisé en amont du dispositif de traitement des gaz d'échappement. La section réduite est avantageusement réalisée à une distance sensiblement inférieure à 10 centimètres du dispositif d'injection ou de vaporisation. La section de gaz d'échappement réduite comporte une première section décroissante 31 et une deuxième section croissante 32. La première section décroissante 31 converge vers l'axe d'introduction de carburant 21 et est apte à diriger les gaz d'échappement vers cet axe. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la première section décroissante et la deuxième section croissante sont courbées ou arquées. Les gaz d'échappement convergent ainsi facilement vers l'axe d'introduction du carburant 21. Il sera compris que pour ce premier mode de réalisation, la forme de l'étranglement 3 est donnée à titre d'exemple non limitatif, la première section décroissante et/ou la deuxième section croissante peuvent être rectilignes sans changement brusque de forme. Cela permet notamment de limiter les pertes de charge qui peuvent être très pénalisantes lorsque le moteur fonctionne à forts débits. A pleine charge, un profil courbé est par exemple plus avantageux qu'un profil rectiligne. Une telle section réduite avec une première section décroissante arquée et/ou rectiligne 31 et une deuxième section croissante arquée et/ou rectiligne 32, permet de minimiser les pertes de charges engendrées dans la ligne échappement 1. Grâce à ce profil de la ligne d'échappement 1, les gaz d'échappement chauds et le carburant injecté ou vaporisé viennent se concentrer et s'homogénéiser au centre de la veine gazeuse. L'augmentation des vitesses d'écoulement des gaz d'échappement du fait de la restriction de section, permet également d'améliorer le mélange entre les gaz et le carburant. Une fois concentré et homogénéisé, le mélange gaz d'échappement - carburant se répartit progressivement sur toute la section du conduit grâce à la deuxième section croissante 32. A la figure 1, on peut constater un écart d'homogénéité du � champ vapeur � selon l'invention comparé à la solution de l'état de la technique. Le � champ de vapeur � est plus homogène lorsque la ligne d'échappement est étranglée, alors qu'il est sensiblement délimité par une enveloppe représentée par la courbe en pointillés lorsque la ligne d'échappement ne comporte pas de section réduite. A la figure 2, on a représenté un autre mode de réalisation de la ligne d'échappement dans lequel l'étranglement; 30 est formé d'une première section décroissante 310 et dans lequel, la deuxième section croissante 320 est rectiligne, formant un changement brusque de la forme extérieure de la ligne d'échappement. Un décrochement est ainsi formé, créant un effet venturi par l'intermédiaire de la singularité créée. Ce décrochement permet de générer des tourbillons 4 intenses permettant d'améliorer le mélange gaz d'échappement - carburant. Tel que représenté, la deuxième section croissante 320 est rectiligne selon un axe vertical sensiblement orthogonal à l'axe d'injection 210. Ce deuxième mode de réalisation améliore l'homogénéité du mélange gaz d'échappement ù carburant par rapport au premier mode de réalisation. Les pertes de charges sont toutefois très inférieures à celles par exemple d'un mélangeur de type hélice. De plus, l'introduction du carburant dans l'axe de la ligne d'échappement est réalisé dans l'axe du venturi et permet d'exploiter au mieux l'effet venturi et donc de rendre le mélange gaz d'échappement ù carburant plus homogène. Ainsi, sur une faible distance, la richesse des gaz véhiculés en direction du catalyseur d'oxydation a une homogénéité améliorée. L'invention permet, sur une faible distance, d'améliorer sensiblement l'homogénéité de la richesse en carburant des gaz véhiculés dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne à destination d'un catalyseur d'oxydation d'un dispositif de30 traitement des gaz d'échappement, et ainsi éviter une détérioration du catalyseur d'oxydation. L'injection de carburant sous forme vaporisée dans la ligne d'échappement permet, en outre, de limiter la quantité de carburant supplémentaire nécessaire à la réalisation d'un phase de régénération du dispositif de traitement des gaz d'échappement du moteur. REVENDICATIONS 1. Ligne d'échappement (1) d'un moteur à combustion interne 5 comportant a. un dispositif de traitement des gaz d'échappement b. un dispositif d'introduction de carburant (2) apte à introduire du carburant selon un axe d'introduction disposé sensiblement dans l'axe de la ligne d'échappement en amont 10 du dispositif de traitement relativement au sens de circulation des gaz d'échappement (5,50), caractérisée en ce que la ligne d'échappement (1) comporte un étranglement (3), disposé entre le dispositif d'introduction de carburant et le dispositif de traitement des gaz d'échappement de 15 sorte que le mélange constitué par les gaz d'échappement et le carburant introduit est homogénéisé en amont du dispositif de traitement des gaz d'échappement. 2. Ligne d'échappement (1) selon la revendication 1 caractérisée en 20 ce que l'étranglement (3,30) comporte une première section décroissante (31,310) et une deuxième section croissante (32,320), ladite section décroissante (31,310) convergeant vers l'axe d'injection (21,210), apte à diriger les gaz d'échappement vers l'axe d'injection (21,210). 25 3. Ligne d'échappement (1) selon la revendication 2 caractérisée en ce que la première section décroissante (31,310) est courbée. 4. Ligne d'échappement (1) selon la revendication 2 caractérisée en 30 ce que la première section décroissante (31,310) est rectiligne. 5. Ligne d'échappement (1) selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que la deuxième section croissante (32,320) est arquée. 6. Ligne d'échappement (1) selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que la deuxième section croissante est rectiligne (32,320). 7. Ligne d'échappement (1) selon l'une des revendications 2 à 4, et 6 caractérisée en ce que la deuxième section croissante (32,320) est rectiligne selon un axe vertical sensiblement orthogonal à l'axe d'injection, créant un changement de section brusque entre la première section décroissante et la deuxième section croissante. 8. Ligne d'échappement (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'étranglement (3,30) est disposé à une distance sensiblement inférieure à 10 centimètres du dispositif d'introduction de carburant (2). 9. Véhicule comportant une ligne d'échappement (1) selon l'une des revendications précédentes.