Brevet FR2949813A1 — publié le 20110311

Ligne d'échappement de véhicule automobile avec un injecteur de réactif La présente invention concerne en général les lignes d'échappement de véhicules automobiles équipées d'injecteurs de réactif. Plus précisément, l'invention concerne les lignes d'échappement de véhicules automobiles, du type comprenant : - un conduit de circulation des gaz d'échappement ayant un volume interne délimité par une paroi latérale, avec un coude présentant une ligne centrale coudée et un conduit rectiligne aval raccordé en aval du coude, le conduit aval présentant une ligne centrale aval, - un injecteur de réactif prévu pour injecter un réactif à l'intérieur du conduit d'échappement ; - un support d'injecteur délimitant intérieurement un volume d'injection, l'injecteur étant lié au support d'injecteur, le support d'injecteur étant lié au conduit de circulation de telle sorte que le volume d'injection communique avec le volume interne du conduit de circulation à travers un orifice de passage ménagé dans la paroi latérale. Une telle ligne d'échappement est connue par exemple de FR2891305. Ce document décrit que l'injecteur est monté de telle sorte que la direction d'injection correspond à l'axe central du conduit aval. Par ailleurs, le coude est conformé de manière à mettre en rotation l'ensemble des gaz d'échappement autour de la direction d'injection. La mise en rotation de tout le flux de gaz demande une énergie importante, et crée une forte contre-pression dans la ligne d'échappement. Par ailleurs, ce mouvement tournant de grande intensité a tendance à projeter des gouttelettes de réactif sur la paroi latérale du conduit d'échappement. Il est également important de souligner que la forme du coude est très complexe, ce coude étant difficile et coûteux à réaliser. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une ligne d'échappement de conception améliorée. A cette fin, l'invention porte sur une ligne d'échappement du type précité, caractérisée en ce que la ligne centrale coudée, au voisinage du conduit aval, définit avec la ligne centrale aval un plan déterminé, le support d'injecteur étant incliné par rapport audit plan déterminé d'un angle d'inclinaison compris entre 20° et 80°. La ligne d'échappement peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'angle d'inclinaison est compris entre 30° et 60°, - l'injecteur est monté sur le support d'injecteur de manière à injecter le réactif suivant une direction d'injection formant avec ledit plan déterminé un angle sensiblement égal à l'angle d'inclinaison, - le coude présente un intrados et un extrados, l'orifice de passage s'étendant majoritairement dans une zone de la paroi latérale tournée vers l'extrados, - l'orifice de passage présente une zone d'entrée des gaz d'échappement dans le volume d'injection, ladite zone d'entrée étant tournée vers l'extrados, - l'orifice de passage présente une zone de sortie des gaz d'échappement hors du volume d'injection, ladite zone de sortie étant tournée vers l'intrados, - l'orifice de passage est ménagé partiellement dans le coude et partiellement dans le conduit aval, et - le conduit de circulation comprend un conduit rectiligne amont raccordé en amont du coude, la ligne centrale coudée étant entièrement courbe, l'orifice de passage présentant une zone d'entrée des gaz d'échappement dans le volume d'injection située dans une moitié du coude la plus proche du conduit rectiligne aval. 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 de dessus d'une partie de ligne d'échappement conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de côté de la ligne d'échappement de la figure 1, considérée suivant l'incidence de la flèche Il ; - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2 montrant la forme de certaines lignes de flux de gaz d'échappement passant à l'intérieur du volume d'injection ; - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 1, montrant la forme de certaines lignes de flux de gaz d'échappement passant à l'intérieur du volume d'injection ; et - la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 1, montrant une ligne d'échappement qui n'est pas conforme à l'invention et dont le support d'injecteur est placé dans le plan défini par les lignes centrales du coude et du tronçon aval. La ligne d'échappement 1 représentée partiellement sur la figure 1 est destinée à être associée à un moteur de type diesel. La ligne d'échappement est équipée d'un système connu sous le sigle SCR (Selective Catalyst Reduction) destiné à réduire les NOx contenus dans les gaz d'échappement issus du moteur diesel. Le système SCR comporte un organe de réduction catalytique, un injecteur placé en amont de l'organe de réduction catalytique, et un mélangeur interposé entre l'injecteur et l'organe de réduction catalytique. L'injecteur est prévu pour injecter dans les gaz d'échappement un réactif, par exemple un liquide connu sous le nom AdBlue, composé d'un mélange d'urée et d'eau, l'urée étant dissoute dans l'eau. Lors de l'injection du réactif, celui-ci s'évapore dans les gaz d'échappement. L'urée se transforme alors, sous l'action de la température, en ammoniac NH3 qui est un réducteur fort. Le mélangeur permet d'homogénéiser les gaz d'échappement contenant de l'urée et d'obtenir une concentration d'urée uniforme dans les gaz d'échappement. Comme le montre la figure 1, la ligne d'échappement comporte : - un conduit 3 de circulation des gaz d'échappement, ayant un volume interne délimité par une paroi latérale 5, ce conduit présentant un conduit rectiligne amont 7, un conduit rectiligne aval 9 et un coude 11 raccordant en série les conduits amont et aval 7 et 9 l'un à l'autre ; - un injecteur 13 de réactif, prévu pour injecter un réactif, par exemple de l'AdBlue, à l'intérieur du conduit d'échappement 3 ; un support d'injecteur 15, délimitant intérieurement un volume d'injection 17, l'injecteur 13 étant lié au support d'injecteur 15 et le support d'injecteur 15 étant lié au conduit de circulation 3. Dans la présente description, l'amont et l'aval sont entendus relativement au sens de circulation normal des gaz d'échappement dans le conduit 3. Le conduit amont 7, le conduit aval 9 et le coude 11 présentent des lignes centrales respectives référencées 17, 19 et 21 et placées dans le prolongement les unes des autres. Le conduit amont 7 est rectiligne, et par exemple de section circulaire. De même, le conduit aval 9 est rectiligne, et par exemple de section circulaire. Les conduits amont et aval présentent des orientations différentes. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le conduit aval est orienté à 90° par rapport au conduit amont. Le coude 11 est lui aussi à section circulaire. Il raccorde fluidiquement le conduit amont 7 au conduit aval 9. Le conduit amont 7 est raccordé directement à une extrémité 23 du coude. De la même manière, le conduit aval 9 est raccordé directement à une extrémité aval 25 du coude. Le coude 11 est entièrement courbe. Par exemple, il ne comporte pas de portion rectiligne. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, il s'étend sur un secteur angulaire de 90°, autour d'un centre de courbure 26. Le coude 11, dans l'exemple de réalisation de la figure 1, constitue donc une portion de tore centrée sur le centre de courbure 26. Les lignes centrales 17, 19 et 21 sont situées dans un même plan contenant le centre de courbure 26. La ligne centrale 21 est entièrement courbe. Vers l'amont, le conduit amont est raccordé à un collecteur d'échappement, prévu pour collecter les gaz d'échappement à la sortie des chambres de combustion du moteur diesel. Le collecteur d'échappement n'est pas représenté. D'autres équipements peuvent être interposés entre le conduit amont 7 et le collecteur d'échappement. Le conduit aval est raccordé vers l'aval à l'organe de purification catalytique. Celui-ci n'est pas représenté sur la figurel. L'organe de purification catalytique est raccordé vers l'aval à la canule par laquelle les gaz d'échappement sont relâchés dans l'atmosphère après purification. D'autres équipements, par exemple un silencieux, peuvent être interposés entre l'organe de purification catalytique et la canule. L'injecteur 13 est prévu pour injecter le réactif selon une direction d'injection I matérialisée par un trait mixte sur la figure 1. Le support d'injecteur 15 est un corps creux, rapporté sur le conduit d'échappement 3. lI est fixé par tout moyen à la paroi latérale du conduit, par exemple par soudage. Le conduit de circulation 3 présente un orifice de passage 27 ménagé dans la paroi latérale 5. Le volume d'injection 17 communique avec le volume interne du conduit de circulation par l'intermédiaire de l'orifice 27. L'orifice 27 présente une forme correspondante à celle du bord libre périphérique 29 du support d'injecteur 15. Le bord périphérique 29 est rigidement fixé au bord de l'orifice 27. Le support d'injecteur 15 comporte un tronçon 31 de fixation de l'injecteur 13 et un tronçon évasé 33 prolongeant le tronçon de fixation 31. Le tronçon 31 est un tronçon borgne à symétrie de révolution autour de la direction d'injection. Il peut être par exemple cylindrique ou tronconique. L'injecteur 13 est rigidement fixé sur le fond 35 du tronçon 31. Le tronçon 31 comporte par exemple, à partir du fond 35, un premier tronçon conique, un tronçon cylindrique et un second tronçon tronconique. Le tronçon 33 prolonge le tronçon de fixation 31 à l'opposé de l'injecteur 13. Il s'évase largement à partir du bord périphérique circulaire 37 du tronçon de fixation 31. lI définit, à l'opposé du tronçon de fixation 31, le bord périphérique 29 rapporté sur la paroi latérale 5. De manière à permettre le prélèvement d'une partie des gaz d'échappement circulant dans le conduit 3, et à créer un mouvement cyclonique tournant autour de l'axe d'injection, à l'intérieur du volume d'injection, le support d'injecteur 15 est incliné par rapport au plan P déterminé par les lignes centrales 19 et 21, d'un angle d'inclinaison a compris entre 20 et 80°. Cette inclinaison est particulièrement visible sur la figure 2. De préférence, l'angle d'inclinaison a est compris entre 30 et 60°. Il vaut par exemple 45°. La direction d'injection forme avec le plan P un angle sensiblement égal à l'angle d'inclinaison. Le support d'injecteur peut être incliné indifféremment d'un côté ou de l'autre côté du plan P. L'angle d'inclinaison a peut être défini de plusieurs manières différentes. L'angle d'inclinaison peut être l'angle que forme, avec le plan P, la droite allant du centre géométrique du fond 35 au centre géométrique de l'orifice 27. Cet angle peut également être l'angle formé avec le plan P par l'axe central du tronçon 33 du support d'injecteur. Cet axe central peut être défini par exemple comme celui passant par le centre géométrique de l'ouverture délimitée par le bord périphérique 37 et par le centre géométrique de l'orifice 27. L'angle d'inclinaison a peut encore être défini comme étant l'angle formé par la direction d'injection I avec le plan P. D'autres définitions pourraient encore être données. De manière à profiter de la différence de pression entre l'extrados et l'intrados du coude, l'orifice de passage 27 s'étend majoritairement dans une zone de la paroi latérale 5 tournée vers l'extrados. L'intrados est le côté de petit rayon du coude 3, l'extrados étant le côté de grand rayon. En d'autres termes, l'intrados est le côté du coude tourné vers le centre de courbure 26, l'extrados étant tourné à l'opposé du centre de courbure 26. Sur la vue de dessus de la figure 1, la zone de la paroi latérale tournée vers l'intrados est la zone située à droite des lignes centrales 17 et 21 et sous les lignes centrales 19 et 21. L'extrados est la zone située à gauche des lignes centrales 17 et 21 et au-dessus des lignes centrales 19 et 21. On voit clairement sur la figure 1 que seule une petite fraction de l'orifice de passage est située côté intrados. Par ailleurs, il ressort clairement de la figure 1 que l'orifice de passage présente une zone 39 d'entrée des gaz d'échappement dans le volume d'injection et une zone 41 de sortie des gaz d'échappement hors du volume d'injection. La zone d'entrée 39 correspond à la zone de l'orifice de passage située la plus en amont. Cette zone est tournée vers l'extrados, et constitue donc une zone de haute pression. Au contraire, la zone de sortie 41 est tournée vers l'intrados. Elle est donc située dans une zone de basse pression. Elle est située en aval de la zone d'entrée. De façon à bénéficier d'une pression de gaz d'échappement plus élevée, l'orifice de passage 27 est ménagé, partiellement ou en totalité, sur la moitié du coude 11 la plus proche du conduit aval 9. En tout état de cause, au moins la zone d'entrée 39 de l'orifice de passage est située sur la moitié du coude 11 la plus proche du conduit aval. Comme visible sur la figure 1, l'orifice de passage 27 s'étend en partie dans le coude 11 et en partie dans le conduit aval 9. Par exemple, il est situé pour moitié dans le coude 11 et pour moitié dans le conduit aval 9. On notera que, comme visible sur la figure 1, la direction d'injection I est orientée vers le conduit aval 9 et intercepte l'orifice de passage 27. Par exemple, la direction d'injection I est choisie de telle sorte que le jet de réactif injecté frappe le mélange, ce mélangeur n'étant pas représenté sur la figure 1. La circulation des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement va maintenant être détaillée, en référence aux figures 1 et 3 à 5. Les gaz d'échappement circulent du conduit amont 7 au conduit aval 9 en passant par le coude 11. La plus grande partie des gaz d'échappement traverse le coude 11 sans pénétrer dans le volume d'injection. Plusieurs veines de gaz, référencées L1 à L3, ont été représentées sur la figure 1, ces veines de gaz allant directement du conduit amont au conduit aval. Dans le coude 11, les gaz d'échappement s'écoulent principalement le long de l'extrados, de telle sorte que la pression côté extrados est supérieure à la pression côté intrados. Une faible partie des gaz d'échappement, environ 10 à 15% en fonction du point de fonctionnement du moteur, est prélevée du flux de gaz d'échappement et pénètre dans le volume d'injection à travers la zone d'entrée 39 de l'orifice de passage. Comme le montre la figure 1, la majeure partie de ce flux dérivé suit une trajectoire en hélice autour de la direction d'injection à partir de la zone d'entrée 39. Ladite majeure partie du flux dérivé quitte le volume d'échappement par la zone de sortie 41 pour revenir dans le conduit de circulation, au niveau du conduit aval 9. Plusieurs veines de fluides référencées L4 à L6 ont été matérialisées sur la figure 1. Elles montrent la trajectoire hélicoïdale de la majeur partie du flux dérivé autour de la direction d'injection I. Le flux dérivé circule essentiellement à l'intérieur du tronçon évasé 33 du support d'injecteur. Toutefois, une petite partie du flux dérivé est dirigée vers l'intérieur du tronçon 31 de fixation de l'injecteur 13 à partir de la zone d'entrée 39. Cette petite partie du flux dérivé crée à l'intérieur du tronçon 31 un tourbillon autour de l'axe d'injection I, et remonte vers le fond 35 (ligne de flux L7 des figures 3 et 4). Les gaz d'échappement perdent de l'énergie en remontant vers le fond 35. Une fois le fond 35 atteint, les gaz d'échappement ont perdu suffisamment d'énergie pour s'échapper par le centre du tronçon 31. Ils s'échappent suivant la direction d'injection I. Ainsi, les gaz d'échappement pénétrant dans le volume d'injection 17 vont créer un flux hélicoïdal autour de la direction d'injection au niveau du tronçon évasé 33 et un flux tourbillonnaire autour de la direction d'injection au niveau du tronçon 31. Les gaz constituant ces flux sont dépourvus de réactif, et constituent un manteau gazeux protégeant la paroi du support d'injection. Ce manteau gazeux empêche que les gouttelettes de réactif projetés selon la direction d'injection I par l'injecteur 13 frappent les parois du support d'injecteur et constituent des dépôts sur ces parois. Le fait que le support d'injecteur soit incliné par rapport au plan P d'un angle compris entre 20 et 80° permet de créer le mouvement hélicoïdal des gaz d'échappement à l'intérieur du volume d'injection 17. En effet, si le support d'injecteur n'était pas incliné par rapport au plan P ou était insuffisamment incliné, comme représenté sur la figure 5, il se créerait une zone de recirculation à l'intérieur du support d'injecteur. Les gaz d'échappement seraient entraînés en rotation à l'intérieur du volume d'injection autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à la direction d'injection, et sensiblement perpendiculaire au plan P. Lors de l'injection, les gouttelettes de réactif traverseraient ces recirculations. Le gaz en rotation se chargerait en gouttelettes, et certaines d'entre elles seraient déposées sur la paroi. Ainsi, des dépôts se formeraient sur les parois du support d'injecteur. Ces dépôts pourraient conduire à terme à une obstruction partielle ou totale de l'injecteur ou à une corrosion du support d'injecteur. Plus l'angle d'inclinaison du support d'injecteur est faible, plus la quantité de gaz d'échappement pénétrant dans le volume d'injection est importante. En revanche, la rotation des gaz d'échappement dans le volume d'injection est peu prononcée dans ce cas, les gaz d'échappement suivant une trajectoire en hélice avec un pas très élevé. Au contraire, si l'angle d'inclinaison est important, peu de gaz d'échappement va entrer dans le volume d'injection. Ces gaz d'échappement auront une rotation prononcée et suivront une trajectoire hélicoïdale avec un pas réduit. En revanche, le manteau gazeux de protection de la paroi du support d'injecteur sera peu épais. L'angle d'inclinaison permettant d'obtenir la meilleure efficacité est d'environ 45°. Il est particulièrement avantageux que la zone d'entrée des gaz d'échappement se trouve sur l'extrados du coude. C'est en effet dans cette zone que circule la plus grande partie des gaz d'échappement, la pression étant ainsi plus élevée côté extrados que côté intrados. De manière symétrique, la zone de sortie des gaz d'échappement est prévue côté intrados, du fait que la pression est réduite de ce côté. Ainsi, le mouvement des gaz d'échappement au sein du volume d'injection est alimenté par une différence de pression aussi grande que possible entre la zone d'entrée et la zone de sortie. Par ailleurs, le support d'injecteur est prévu pour avoir une forme aussi douce que possible, de manière à éviter que les veines de gaz d'échappement circulant à l'intérieur du volume d'injection se décollent de la paroi et créent des turbulences. De telles turbulentes pourraient contribuer à projeter des gouttelettes de réactif sur la paroi du support d'injecteur. Dans ce but, le tronçon 33 du support d'injecteur est dépourvu d'angles vifs. De préférence, la zone d'entrée 39 de l'orifice de passage est située au centre de l'extrados (voir figure 2), c'est-à-dire diamétralement à l'opposé du centre de courbure 26. Au contraire la zone de sortie 41 est fortement décalée par rapport au plan P de manière à être située sur l'intrados. Par exemple, elle forme un angle d'environ 105 ° (angle f3 de la figure 2) par rapport au plan P. Le volume d'injection 17 doit être aussi élevé que possible tout en assurant le passage des gaz d'échappement sans décollement. Ainsi, les gaz d'échappement doivent circuler de la zone d'entrée jusqu'à la zone de sortie autour du support d'injecteur sans rencontrer d'arrêtes vives, notamment sur le tronçon 33 du support d'injecteur. Le fait que seule une petite partie des gaz d'échappement soit prélevée et pénètre dans le volume d'injection, fait que la contre-pression créée par le support d'injecteur dans la ligne d'échappement est réduite au minimum. Cette contre- pression est non mesurable et est inférieure à 10 millibars. Par ailleurs, une fraction encore plus petite des gaz d'échappement pénètre dans le tronçon 31 de support de l'injecteur. L'énergie thermique transportée par cette petite fraction de gaz est particulièrement faible, de telle sorte que la température du nez d'injecteur est réduite. La température du nez d'injecteur est de 50 à 100° inférieure à la température d'un nez d'injecteur situé en plein flux de gaz d'échappement. La ligne d'échappement décrite ci-dessus peut présenter de multiples variantes. Le conduit situé en amont du coude peut ne pas être rectiligne. Le coude 11 peut couvrir un secteur angulaire quelconque, inférieur ou supérieur à 90°. Le coude 11 peut ne pas former un arc de cercle, mais plutôt en arc d'ellipse, ou tout autre forme courbe. De préférence, la courbure de la ligne centrale du coude est toujours du même côté, la ligne centrale n'ayant pas de point d'inflexion. Il est toutefois envisageable que le coude forme un S, et présente un ou plusieurs points d'inflexion. De préférence, la ligne centrale du coude et la ligne centrale du tronçon aval sont entièrement dans un même plan. Toutefois, il est possible que ces deux lignes centrales forment une courbe gauche. Dans ce cas, le plan considéré pour déterminer l'angle d'inclinaison du support d'injecteur est le plan formé par la ligne centrale du conduit aval rectiligne et la partie de la ligne centrale du coude située au voisinage du conduit aval. La ligne d'échappement a été décrite comme étant montée sur un véhicule à moteur diesel. Elle pourrait toutefois être associée à un moteur autre qu'un moteur diesel. L'injecteur peut injecter toutes sortes de réactifs, et pas nécessairement un réactif à base d'urée tel que AdBlue. REVENDICATIONS1. Ligne d'échappement de véhicule automobile, la ligne d'échappement (1) comprenant : - un conduit (3) de circulation des gaz d'échappement ayant un volume interne délimité par une paroi latérale (5), avec un coude (11) présentant une ligne centrale (21) coudée et un conduit rectiligne aval (9) raccordé en aval du coude (11), le conduit aval (9) présentant une ligne centrale aval (19) ; - un injecteur (13) de réactif prévu pour injecter un réactif à l'intérieur du conduit de circulation (3) ; - un support d'injecteur (15) délimitant intérieurement un volume d'injection (17), l'injecteur (13) étant lié au support d'injecteur (15), le support d'injecteur (15) étant lié au conduit de circulation (3) de telle sorte que le volume d'injection (17) communique avec le volume interne du conduit de circulation (3) à travers un orifice de passage (27) ménagé dans la paroi latérale (5) ; caractérisée en ce que la ligne centrale coudée (21), au voisinage du conduit aval (9), définit avec la ligne centrale aval (19) un plan déterminé (P), le support d'injecteur (15) étant incliné par rapport audit plan déterminé (P) d'un angle d'inclinaison (a) compris entre 20° et 80°. 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison (a) est compris entre 30° et 60°. 3. Ligne d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'injecteur (13) est monté sur le support d'injecteur (15) de manière à injecter le réactif suivant une direction d'injection (I) formant avec ledit plan déterminé (P) un angle sensiblement égal à l'angle d'inclinaison (a). 4. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le coude (11) présente un intrados et un extrados, l'orifice de passage (27) s'étendant majoritairement dans une zone de la paroi latérale (5) tournée vers l'extrados. 5. Ligne d'échappement selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'orifice de passage (27) présente une zone (39) d'entrée des gaz d'échappement dans le volume d'injection (17), ladite zone d'entrée (39) étant tournée vers l'extrados. 6. Ligne d'échappement selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que l'orifice de passage (27) présente une zone (41) de sortie des gaz d'échappementhors du volume d'injection (17), ladite zone de sortie (41) étant tournée vers l'intrados. 7. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'orifice de passage (27) est ménagé partiellement dans le coude (11) et partiellement dans le conduit aval (9). 8. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit de circulation (3) comprend un conduit rectiligne amont (7) raccordé en amont du coude (11), la ligne centrale coudée (21) étant entièrement courbe, l'orifice de passage (27) présentant une zone (39) d'entrée des gaz d'échappement dans le volume d'injection (17) située dans une moitié du coude la plus proche du conduit rectiligne aval (9). 9. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe de purification catalytique en aval du conduit aval (9), le réactif comprenant de l'urée.15