Brevet FR2965011A1 — publié le 20120323

DISPOSITIF D'INTRODUCTION D'UN FLUIDE DANS UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT, ENSEMBLE ET VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF [0001] L'invention porte sur le domaine des systèmes d'introduction d'un fluide dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion. Elle porte en particulier sur le domaine de l'introduction d'une solution d'urée par un injecteur, dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion. [0002] Les émissions de gaz polluants par un moteur à combustion, notamment dans une application à un véhicule automobile, sont réglementées par des normes de plus en plus sévères. Ces normes portent notamment sur le niveau d'émission d'oxydes d'azote (ou NOx). [0003] Afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote, on connaît un dispositif de réduction catalytique, appelé dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azotes, qui consiste à les faire réagir sur un catalyseur spécifique installé dans la ligne d'échappement du moteur, à l'aide d'un agent réducteur introduit dans la ligne en amont du catalyseur. [0004] On emploie indifféremment l'expression « réduction catalytique sélective » ou l'acronyme SCR (de l'anglais « selective catalytic reduction »). [0005] On emploie couramment une solution d'urée en tant que précurseur d'ammoniac, qui agit en tant qu'agent réducteur pour la SCR. La solution d'urée est introduite à l'aide d'un injecteur dans la ligne d'échappement du moteur équipé, en amont d'un catalyseur SCR. L'urée présente néanmoins l'inconvénient de cristalliser à des conditions de température (autour de 200°C) et de pression présentes dans la ligne d'échappement. Ainsi, des cristaux d'urée risque d'obstruer l'injecteur de solution d'urée, ou à tout le moins d'en perturber le fonctionnement, en limitant son débit ou en modifiant la forme de son cône d'injection (forme du spray en sortie d'injecteur). [0006] Un tel phénomène doit en conséquence être évité. [0007] Il est connu divers moyens pour limiter ce phénomène. [0008] Le premier consiste à essayer de conserver la buse de l'injecteur suffisamment froide pour demeurer sous la température de cristallisation de l'urée, soit par des moyens de refroidissement liquide ou par conduction du nez de l'injecteur, soit en maintenant la buse éloignée (en retrait) du flux gazeux chaud s'écoulant dans la ligne d'échappement. Cependant, des moyens de refroidissement sont complexes et coûteux à mettre en oeuvre, tandis que le fait d'éloigner l'injecteur nécessite un grand volume d'implantation et s'avère peu efficace, car on ne maitrise pas précisément la température et les phénomènes aérodynamiques dans la zone d'implantation de l'injecteur. [0009] Un autre moyen de limiter l'encrassement de la buse d'injecteur consiste à la placer au point le plus chaud possible, afin de la soumettre à une température de plus de 300°C, et ainsi vaporiser les cristaux qui auraient pu se former. Cette solution est cependant très contraignante pour l'injecteur, qui subit des contraintes thermiques importantes, et également en termes d'implantation, car la position de l'injecteur est contrainte par la recherche d'un point suffisamment chaud, alors même qu'une injection dans le même axe que celui d'implantation du catalyseur SCR est à privilégier. [0010] D'autres moyens forts complexes à mettre en oeuvre peuvent également être envisagés, comme des systèmes spécifiques de nettoyage de la buse. [0011] On ne connaît donc pas dans l'état de la technique de moyen simple et pleinement satisfaisant pour lutter contre le phénomène d'encrassement de l'injecteur SCR par cristallisation de l'agent réducteur. [0012] L'invention vise à résoudre ce problème. [0013] Plus précisément, l'invention porte donc sur un dispositif d'introduction d'un fluide dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, comportant une portion de conduit d'échappement et un injecteur de fluide présentant un nez d'injecteur disposé en retrait de la portion de conduit dans un volume ouvert sur cette dernière, dans lequel des moyens de déviation d'un flux gazeux disposés dans la portion de conduit et conformés pour générer un courant gazeux balayant le nez de l'injecteur lorsqu'un flux gazeux circule dans la portion de conduit selon un sens d'écoulement donné. Le balayage du nez d'injecteur permet d'éviter son encrassement par le fluide pulvérisé, et/ou évite tout risque de cristallisation de ce fluide notamment s'il s'agit d'une solution d'urée. [0014] Selon un premier mode de réalisation de l'invention les moyens de déviation sont conformés pour orienter mécaniquement tout ou partie d'un flux gazeux circulant dans la portion de conduit vers le nez de l'injecteur. [0015] Dans une variante de ce premier mode de réalisation, les moyens de déviation comportent une déformation localisée d'une paroi de la portion de conduit. Cette déformation agit comme un déflecteur d'une part du flux des gaz d'échappement. Cette déformation peut être une cavité formée dans la paroi. [0016] De préférence, la déformation comporte alors une cavité suivie d'un ressaut. La cavité suivie d'un ressaut, va entrainer une recirculation locale d'une part des gaz dans le conduit d'échappement. [0017] Dans une autre variante, les moyens de déviation comportent un tube, disposé dans la portion de conduit, conformé pour prélever une part d'un flux gazeux circulant dans la portion de conduit et pour l'orienter vers le nez de l'injecteur. [0018] Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les moyens de déviation comportent un moyen de génération d'une dépression au droit du nez de l'injecteur. Les différences de pression dans la portion de conduit d'échappement engendrent un courant permettant le balayage du nez d'injecteur. [0019] De préférence, les moyens de déviation comportent alors un tube de dépression disposé dans la portion de conduit, tube de dépression dont une première extrémité est orientée vis-à-vis du flux gazeux circulant dans la portion de conduit de sorte à générer une dépression en regard de la première extrémité, et une seconde extrémité est disposée à proximité du nez d'injecteur. Il se crée ainsi une aspiration des gaz d'échappement à proximité du nez d'injecteur, [0020] De préférence, l'injecteur est un injecteur de solution d'urée. C'est le cadre d"application privilégiée de l'invention. [0021] L'invention porte également sur un ensemble comportant un dispositif selon l'invention, et un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. L'invention porte enfin sur un véhicule automobile comportant un tel ensemble [0022] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0023] La figure 1 présente schématiquement un dispositif conforme à une première variante de réalisation de l'invention. [0024] La figure 2 présente schématiquement un dispositif conforme à une deuxième variante de réalisation de l'invention. [0025] La figure 3 présente schématiquement un dispositif conforme à une troisième variante de réalisation de l'invention. [0026] Dans l'invention, une portion de conduit d'échappement 1 est dotée d'un injecteur 2 de fluide, en l'occurrence un injecteur d'une solution d'urée pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote sur un catalyseur dédié. [0027] L'injecteur 2 est pourvu d'une extrémité par laquelle est réalisée l'injection : on parle du nez 21 de l'injecteur. [0028] Le nez 21 de l'injecteur 2 est positionné en retrait de la portion de conduit 1 dans un volume 3 communicant avec celle-ci. Ce volume 3 permet à l'injecteur de ne pas être directement implanté dans l'environnement très contraint thermiquement de l'intérieur de portion de conduit 1, dans laquelle circule un flux de gaz d'échappement d'un moteur thermique. [0029] Le flux de gaz d'échappement circule dans la portion de conduit d'une manière fortement canalisée par le conduit d'échappement, qui est généralement obtenu par emboutissage ou par soudage de tubes. On a représenté la direction principale du flux des gaz d'échappement par la flèche notée D. Le but de l'invention est rempli par un dispositif conforme à cette dernière, lorsqu'un flux gazeux circule dans la portion de conduit selon un sens d'écoulement donné, en l'occurrence selon la direction principale d'écoulement des gaz d'échappement. L'expression sens d'écoulement désigne bien évidemment le fait que le flux gazeux entre dans la portion de conduit 1 par une extrémité d'entrée pour ressortir par une extrémité de sortie de ladite portion de conduit, ce qui définit de fait le sens d'écoulement du flux dans la portion de conduit 1. Il s'agit donc de la direction d'écoulement principale du flux gazeux dans la portion de conduit, indépendamment des turbulences ou reflux locaux dans ladite portion de conduit. Cette canalisation directive, entrainant un flux quasi-laminaire, ne permet pas, dans l'état de la technique antérieure, de recirculation du flux de gaz d'échappement dans la zone d'injection d'urée. [0030] Ainsi, on ne maîtrise pas précisément l'aérodynamique au niveau du volume 3, si bien qu'une part de l'urée injectée peut, selon les conditions de température et de pression dans la ligne d'échappement, stagner et cristalliser sur le nez 21 de l'injecteur 2. [0031] Les cristaux formés sur le nez 21 d'injecteur perturbent l'injection de la solution d'urée. La quantité injectée est alors peu précise, et le cône d'injection peut être déformé. La quantité d'oxydes d'azote pouvant être traités par la quantité d'agent réducteur introduit dans le conduit d'échappement par l'injecteur 2 est alors mal connue. Le système de dépollution peut alors être insuffisamment efficace, ou au contraire, relâcher dans l'atmosphère de l'ammoniac (en cas de surcompensation du phénomène de cristallisation par augmentation de l'injection d'urée). [0032] Dans l'invention, on prévoit des moyens de déviation d'un flux gazeux, en l'occurrence du flux des gaz d'échappement, disposés dans la portion de conduit 1 et conformés pour générer un courant C gazeux balayant le nez 21 de l'injecteur 2 lorsqu'un flux gazeux circule dans la portion de conduit. Le courant C gazeux balayant le nez de l'injecteur va permettre d'éviter la formation de cristaux sur ce dernier, ou de les éliminer dès leur formation. En effet, la recirculation de gaz créée au niveau du nez de l'injecteur a deux effets. Elle permet une montée en température plus élevée face à l'injecteur, et donc évite la formation de points froids dans la zone d'injection, et permet un balayage gazeux et par conséquent le nettoyage (ou le non encrassement) du nez 21 d'injecteur. [0033] Dans la variante de l'invention représentée en figure 1, les moyens de déviation comportent essentiellement une déformation 11 de la paroi 12 de la portion de conduit 1. Cette déformation 11 peut se présenter sous la forme d'une cavité, éventuellement suivie d'un ressaut 13 ou contre forme, permettant de guider une part du flux gazeux circulant dans la portion de conduit de sorte qu'elle soit renvoyée vers le volume 3 et vers le nez 21 de l'injecteur 2. Le courant C gazeux ainsi formé balaie et « nettoie » ainsi le nez 21 d'injecteur. [0034] La déformation 11 pourra présenter les caractéristiques dimenssionnantes suivantes : - Le début de forme de cavité est au droit de l'intersection du flux tangentiel des gaz d'échappement dans la portion de conduit 1 ; - La profondeur de la cavité détermine le niveau de turbulence du flux : la cavité sera profonde et plus la rotation du courant C gazeux généré ne sera importante ; - Le ressaut 13 est dimensionné de sorte à ne pas être impacté par le cône d'injection de l'injecteur 2. [0035] Une telle déformation 11 peut être obtenue par des procédés bien connus dans la réalisation des lignes d'échappement ; elle peut notamment être obtenue directement lors de l'emboutissage de demi-coquille formant la portion de conduit 1. La déformation 11 peut être positionné sur le fond de la pièce ou dans ses flancs verticaux afin d'éviter un impact en contre pression trop élevé. [0036] D'autres moyens peuvent être employés avec succès pour réaliser des turbulences dans le flux des gaz d'échappement, telles que le nez 21 soit balayé par un courant C gazeux. [0037] On peut employer d'autres moyens pour dévier mécaniquement le flux des gaz d'échappement. Une variante possible est présentée en figure 2, variante dans laquelle un tube 4 disposé dans la portion de conduit 1 est conformé pour prélever une part d'un flux gazeux circulant dans la portion de conduit et pour l'orienter vers le nez de l'injecteur. Pour ce faire, le tube 4 présente une extrémité orientée pour permettre l'entrée d'une part du flux gazeux circulant dans la portion de conduit 1, puis conduit cette part prélevée dans le flux vers le volume 3. [0038] Il se crée ainsi un courant C turbulent dans le volume 3, qui vient balayer le nez 21 d'injecteur. [0039] La figure 3 présente une autre variante de l'invention, dans laquelle on ne tend pas à dévier directement mécaniquement tout ou partie du flux des gaz d'échappement, mais à générer une dépression localisée pour créer le courant C turbulent de balayage du nez 21 d'injecteur 2. Dans la variante de l'invention ici représenté, on a disposé un tube de dépression 5 dans la portion de conduit 1. Une première extrémité 51 du tube de dépression 5 est ouverte dans une direction sensiblement opposée par rapport à la direction du flux des gaz d'échappement dans le conduit. Se faisant, le flux de gaz d'échappement tend à créer une dépression au niveau de la première extrémité 51, cette dépression créant une aspiration au niveau de la seconde extrémité 52 du tube de dépression 5. [0040] En positionnant la seconde extrémité 52 dans le (ou en sortie du) volume 3, on y génère un courant C gazeux turbulent qui évite la formation de cristaux sur le nez 21 de l'injecteur 2. [0041] L'invention propose ainsi une solution simple et efficace pour lutter contre l'encrassement du nez d'un injecteur de fluide destiné à injecter un fluide dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion, et en particulier d'un injecteur d'une solution d'urée. Par la génération d'un courant C gazeux, turbulent par rapport au flux des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement et en particulier dans la portion de conduit d'échappement au niveau de l'injecteur, on balaie mécaniquement le nez d'injecteur ce qui le nettoie (ou évite son encrassement), et, en outre, on évite la formation de points froids au niveau du nez d'injecteur, un tel point froid favorisant la cristallisation de l'urée. REVENDICATIONS: 1. Dispositif d'introduction d'un fluide dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, comportant une portion de conduit (1) d'échappement et un injecteur (2) de fluide présentant un nez (21) d'injecteur disposé en retrait de la portion de conduit dans un volume (3) ouvert sur cette dernière, caractérisé par des moyens de déviation (11,4,5) d'un flux gazeux disposés dans la portion de conduit (1) et conformés pour générer un courant (C) gazeux balayant le nez (21) de l'injecteur (2) lorsqu'un flux gazeux circule dans la portion de conduit (1) selon un sens d'écoulement donné. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déviation (11, 4) sont conformés pour orienter mécaniquement tout ou partie d'un flux gazeux circulant dans la portion de conduit (1) vers le nez de l'injecteur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de déviation comportent une déformation (11) localisée d'une paroi de la portion de conduit. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la déformation (11) comporte une cavité suivie d'un ressaut (13). 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de déviation comportent un tube (4), disposé dans la portion de conduit (1), conformé pour prélever une part d'un flux gazeux circulant dans la portion de conduit (1) et pour l'orienter vers le nez (21) de l'injecteur. 6. Dispositif selon la revendication 1, déviation caractérisé en ce que les moyens de comportent un moyen de génération d'une dépression au droit du nez de l'injecteur. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de déviation comportent un tube de dépression (5) disposé dans la portion de conduit (1), tube de dépression (5) dont une première extrémité (51) est orientée vis-à-vis du flux gazeux (D) circulant dans la portion de conduit de sorte à générer une dépression en regard de la première extrémité (51), et une seconde extrémité (52) est disposée à proximité du nez (21) d'injecteur. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur (2) est un injecteur de solution d'urée. 9. Ensemble comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes et un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. 10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble selon la revendication 9.5