Brevet FR3087836A1 — publié le 20200501

DESCRIPTION TITRE Injecteur pour injecter un agent réducteur gazeux dans un flux de gaz d'échappement, comprenant au moins un dispositif anti-reflux La présente invention concerne un injecteur pour injecter un agent réducteur dans le flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, l'injecteur étant du type ru comprenant au moins une buse d'injection, un système de dosage pour fournir un écoulement dosé de l'agent réducteur à la buse ou à chaque buse d'injection, et une conduite d'injection reliant fluidiquement le système de dosage à la buse ou à chaque buse d'injection. L'invention concerne en outre une conduite d'échappement pour un moteur à 15 combustion interne comprenant un tel injecteur, et un véhicule automobile comprenant une telle conduite d'échappement. L'agent réducteur gazeux comprend par exemple, de l'ammoniac, un mélange d'air avec de l'ammoniac, ou un mélange d'ammoniac et de gaz neutre tel que de 20 Les moteurs à combustion interne de véhicules automobiles sont connus pour produire des oxydes d'azote également désignés par « NOx ». Ceux-ci constituent une source significative de pollution de l'air puisqu'ils contribuent à la formation de brouillard et de pluie acide, et affectent l'ozone troposphérique. li est donc souhaitable d'éliminer les NOx contenus dans le gaz d'échappement de ces moteurs. 25 A cette fin; on a développé un procédé connu sous le nom de « réduction catalytique sélective » (RCS); dans lequel de l'ammoniac est utilisé pour réduire le NOx en azote inoffensif. Ce procédé consiste à injecter un agent réducteur dans le flux de gaz d'échappement, au moyen d'un injecteur du type susmentionné. L'agent réducteur est ensuite mélangé avec le gaz d'échappement et réduit le NOx en azote lorsque le flux de 30 gaz d'échappement s'écoule à travers un catalyseur RCS. Communément, l'agent réducteur est constitué d'un agent à base d'urée liquide qui est tout d'abord soumis à une thermo-hydrolyse lorsqu'il se mélange avec le gaz d'échappement, cette therrno-hydrolyse transformant l'agent à base d'urée liquide en ammoniac avant que le mélange de gaz d'échappement et d'ammoniac passe à travers le catalyseur RCS. Ceci n'est toutefois pas trés f ce. 2 On a découvert qu'il est bien plus efficace d'injecter directement de l'ammoniac dans la conduite d'échappement, en amont du catalyseur RCS, plutôt que l'agent à base d'urée liquide susmentionné. De cette manière, la première étape susmentionnée est Cette observation a conduit au développement d'injecteurs pour l'injection d'ammoniac gazeux dans le flux de gaz d'échappement, de tels injecteurs étant connus par exemple d'après le document FR 2 994 455. Ces injecteurs sont d'ordinaire utilisés en remplacement des injecteurs d'agent à base d'urée liquide. Toutefois, ces injecteurs connus ne sont pas entièrement satisfaisants. En effet, tu on a découvert que, lorsque la température extérieure est froide, après l'arrêt du moteur, les buses d'injection de ces injecteurs sont généralement obstruées par des sels ammoniacaux, de sorte que de l'ammoniac ne peut pas être injecté dans le mélangeur. Au démarrage du moteur, l'injecteur n'est donc pas opérationnel. Il faut plusieurs heures avant que la buse d'injection soit désobstruée. Parfois, la buse d'injection reste obstruée et l'injecteur ne peut pas fonctionner. En même temps, le gaz d'échappement ne peut pas être dépollué. Un objectif de l'invention est donc d'empêcher ou au moins de réduire la formation d'une obstruction dans la buse d'injection etiou de la conduite d'injection, permettant à l'injecteur d'être rapidement opérationnel lorsque le moteur est démarré. 20 A cette fin, l'invention traite d'un injecteur du type susmentionné, dans lequel la conduite d'injection comprend un tuyau en amont relié fluidiquement au système de dosage, au moins un tuyau en aval relié fluidiquement à une buse d'injection respective; et au moins un dispositif anti-reflux pour éviter ou minimiser un écoulement fluidique du ou de chaque tuyau en aval vers le tuyau en amont. 25 Selon des modes de réalisation spécifiques de l'invention, l'injecteur présente en outre une ou plusieurs des caractéristiques mentionnées ci-après, considérées indépendamment ou conjointement selon une quelconque combinaison techniquement possible : - le dispositif anti-reflux est configure pour permettre un écoulement fluidique du 30 tuyau en amont vers le tuyau en aval ; - le dispositif anti-reflux présente au moins un étranglement avec une section d'écoulement réduite par rapport au tuyau en aval le dispositif anti-reflux comprend au moins une chicane ; - le dispositif anti-reflux comprend un clapet anfi-retour 35 - l'injecteur comprend un élément chauffant pour chauffer e dispositif anti-reflux ; 3 - l'élément chauffant est configuré pour chauffer le dispositif anti-reflux pendant une phase de démarrage du moteur à combustion interne ; et le tuyau en amont est configuré pour être chauffé pendant les phases de travail du moteur à combustion interne. L'invention traite également d'une conduite d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un mélangeur configuré pour être traversé par un flux de gaz d'échappement produit par le moteur à combustion interne et un injecteur tel que défini plus haut pour injecter l'agent réducteur dans ledit flux de gaz d'échappement. Selon des modes de réalisation spécifiques de l'invention, la conduite tu d'échappement présente en outre une ou plusieurs des caractéristiques mentionnées ci- après, considérées indépendamment ou conjointement selon une quelconque combinaison techniquement possible : - le tuyau en aval s'étend de la buse d'injection au dispositif anti-reflux et comprend une partie externe s'étendant à l'extérieur du mélangeur, ladite partie externe 1.5 ayant une longueur inférieure à 2 m et de préférence, inférieure à 20 cm ; le dispositif anti-reflux est situé à l'intérieur du mélangeur ; et la conduite d'échappement comprend un tuyau d'échappement pour guider le gaz d'échappement, au moins une partie du tuyau en amont s'étendant près dudit tuyau d'échappement de sorte que le en amont est chauffé par le tuyau d'échappement grâce 20 au gaz d'échappement s'écoulant à travers ledit tuyau d'échappement. L'invention traite en outre d'un véhicule automobile comprenant une conduite d'échappement telle que définie plus haut. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront clairs à partir d'une description détaillée qui est fournie ci-après à titre d'indication et en aucun cas de 25 limitation; en référence aux figures annexées, sur lesquelles : [Fig 1] la figure 1 est un schéma général d'une conduite d'échappement selon l'invention, [Fig 2] la figure 2 est une vue en coupe d'une section de la conduite d'échappement de la figure 1, selon un premier mode de réalisation de 30 l'invention, [Fig 3] la figure 3 est une vue en coupe d'une section de la conduite d'échappement de la figure 1, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, [Fig 4] la figure 4 est une vue en coupe d'une section de la conduite 35 d'échappement de la figure 1, selon un troisième mode de réalisation de l'invention, 4 - [Fig 5] la figure 5 est une vue en coupe d'une section de la conduite d'échappement de la figure 1, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. La conduite d'échappement 10 représentée sur la figure 1 fait partie d'un véhicule automobile (non représenté). Cette conduite d'échappement 10 achemine un flux de gaz d'échappement généré par un moteur 12 du véhicule automobile à travers divers composants d'échappement en amont 14 pour réduire l'émission et contrôler le bruit d'une manière connue. Les divers composants d'échappement en amont 14 peuvent inclure un ou plusieurs des éléments tu suivants : tuyaux; filtres, vannes, catalyseurs, silencieux etc. Dans l'exemple de configuration, la conduite d'échappement 10 comprend un catalyseur d'oxydation diesel (COD) 16 ayant une entrée 18 et une sortie 20 positionnée en aval des composants d'échappement en amont 14, de sorte que ces composants d'échappement en amont 14 dirigent les gaz d'échappement du moteur dans le COD 16. Dans l'exemple représenté, la conduite d'échappement 10 comprend en outre un filtre à particules diesel (FPD) 21 positionné en aval du COD 16. Ce FPD est apte à éliminer les contaminants du gaz d'échappement d'une manière connue. La conduite d'échappement 10 comprend également un catalyseur à réduction catalytique sélective (RCS) 22 ayant une entrée 24 et une sortie 26, et des composants 20 d'échappement en aval 28 positionnés en aval du catalyseur RCS 22. Ce catalyseur RCS 22 est ici positionné en aval du COD 16 et du FPD 21 optionnel. Le catalyseur RCS 22 peut optionnellement comprendre un catalyseur qui est configuré pour effectuer une fonction de réduction catalytique sélective et une fonction de filtre à particules. 25 Les divers composants d'échappement en aval 28 incluent par exemples un ou plusieurs des éléments suivants tuyaux; filtres; vannes, catalyseurs; silencieux, etc. Les composants en amont 14 et en aval 28 peuvent être montés dans diverses configurations et combinaisons en fonction de l'application du véhicule et de l'espace de conditionnement disponible. 30 La conduite d'échappement 10 comprend en outre, en amont de l'entrée 24 du catalyseur RCS 22, un mélangeur 30 configuré pour etre traversé par le flux de gaz d'échappement avant qu'il entre dans le catalyseur RCS 22. Ce mélangeur 30 est ici positionne en aval de la sortie 20 du COD 16 et du FPD 21 en option. Le mélangeur 30 est de préférence configuré pour générer un mouvement 35 tourbillonnant ou rotatif du flux de gaz d'échappement. En variante, le mélangeur 30 est constitué d'un simple tuyau. La conduite d'échappement 10 comprend également un tuyau d'échappement 31 pour guider le gaz d'échappement. Ce tuyau d'échappement 31 est ici représenté positionné en aval du mélangeur 30, entre le mélangeur 30 et le catalyseur RCS 22. En variante, le tuyau d'échappement 31 peut faire partie du mélangeur 30 ou être positionné en amont du mélangeur 30, et/ou entourer' au moins partiellement le COD 16, le FDP 21 et/ou le catalyseur ROS 22. La conduite d'échappement 10 comprend en outre un injecteur 32 pour injecter un agent réducteur gazeux dans le flux de gaz d'échappement dans le mélangeur 30 de sorte que le mélangeur 30 puisse mélanger soigneusement l'agent réducteur et le gaz tu d'échappement. L'agent réducteur gazeux comprend par exemple de l'ammoniac, un mélange d'air avec de l'ammoniac, ou un mélange d'ammoniac et de gaz neutre tel que de l'hélium. L'injecteur 32 inclut une buse d'injection 34 positionnée à l'intérieur du mélangeur 30 pour diriger l'agent réducteur injecté dans le mélangeur 30 pour le mélanger avec le [5 gaz d'échappement du moteur, un système de dosage 36 pour fournir un écoulement dosé d'agent réducteur à la buse d'injection 34, et une conduite d'injection 38 reliant fluidiquement le système de dosage 36 à la buse d'injection 34. Le système de dosage 36 comprend une source d'agent réducteur 40, une vanne de dosage 42 pour doser la quantité d'agent réducteur fournie à la buse d'injection 34, et 20 une unité de commande 44 pour commander la vanne de dosage 32 de sorte à commander le dosage de l'agent réducteur d'une manière connue. La source d'agent réducteur 40 est ici constituée d'une source d'ammoniac. Cette source comprend d'ordinaire un réservoir (non représenté) dans lequel de l'ammoniac gazeux est stocké sous pression. En variante, la source comprend des sels d'urée ou de 25 chlorure de strontium (SrCl2) censés être chauffés pour générer de l'ammoniac. Si nous regardons les figures 2 à 4, la conduite d'injection 38 inclut un tuyau en amont 52 relié fluidiquement au système de dosage 36, un tuyau en aval 54 relié fluidiquement à la buse d'injection 34, et un dispositif anti-reflux 56 pour minimiser un écoulement fluidique du tuyau en aval 54 vers le tuyau en amont 52, tout en permettant 30 un écoulement fluidique du tuyau en amont 52 vers le tuyau en, aval 54. On a découvert de manière surprenante que cette seule caractéristique a réduit de manière significative les risques d'obstruction du tuyau en amont 52. En conséquence, le temps d'indisponibilité de l'injecteur 32 a été réduit de manière significative par rapport aux injecteurs d'ammoniac connus. 6 Le tuyau en amont 52 est formé par exemple par un tuyau rigide etiou un tuyau souple. Des éléments peuvent optionnellement être ajoutés sur ledit tuyau rigide et/ou un tuyau souple. Le tuyau en amont 52 s'étend de préférence du système de dosage 36 au dispositif anti-reflux 56. Le tuyau en aval 54 est formé par exemple par un tuyau rigide etiou un tuyau souple. Des éléments peuvent optionnellement être ajoutés sur ledit tuyau rigide et/ou un tuyau souple. De préférence, le tuyau en aval 54 a sensiblement la même section d'écoulement tu que la buse 34. Dans les exemples représentés, le tuyau en aval 54 s'étend de la buse d'injection 34 au dispositif anti-reflux 56. Dans les exemples des figures 2 à 4, le dispositif anti-reflux 56 est positionné à l'extérieur du mélangeur 30. Le tuyau en aval 54 comprend donc une portion interne 57A s'étendant à l'intérieur du mélangeur 30 et une portion externe 57B s'étendant à l'extérieur du mélangeur 30, la portion externe 576 ayant de préférence une longueur inférieure à 2 m, par exemple inférieure à 20 cm, de sorte que la région de la conduite d'injection 38 dans laquelle la survenance de risques d'obstruction est minimisée. Le dispositif anti-reflux 56 est de préférence d'un seul tenant avec le tuyau en aval 20 54 etiou le tuyau en amont 52. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le dispositif anti-reflux 56 est constitué d'au moins un étranglement 58 de la conduite d'injection 38 qui a une section d'écoulement réduite par rapport au tuyau en aval 54. Dans l'exemple représenté, cet étranglement 58 a également une section d'écoulement réduite par rapport au tuyau en 25 amont 52. De préférence, le rapport entre la section d'écoulement du tuyau en aval 54 et la section d'écoulement de l'étranglement 58 est compris entre 4 et 25, par exemple, est de 12. L'étranglement 58 est par exemple formé par un resserrement de la conduite 30 d'injection 38 ou un rétrécissement de la conduite d'injection 38, En variante: l'étranglement 58 est formé par au moins un anneau interne disposé à l'intérieur de la conduite d'injection 38. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le dispositif anti-reflux 56 est constitué d'une portion de la conduite d'injection 38 qui présente plusieurs chicanes 60. Ici; ces 35 chicanes 60 sont au nombre de deux. En variante, le dispositif anti-reflux 56 inclut trois f chicanes 60 ou plus. Dans une autre variante, le dispositif anti-reflux 56 inclut une seule chicane 60. Par « chicane », on pense qu'un dispositif qui entrave le trajet d'écoulement à travers ledit dispositif en imposant une course en zigzag. Un tel dispositif est par exemple une section de tuyau formée de telle sorte que le trajet d'écoulement à travers ladite section de tuyau est sinueux, la sinuosité dudit trajet d'écoulement étant supérieure à 1,20, de préférence supérieure à 1,57. Dans l'exemple représenté, chaque chicane 60 définit un étranglement dans la conduite d'injection 38. ro Dans le mode de réalisation de la figure 4, le dispositif anti-reflux 56 est constitue d'un clapet anti-retour 62 configuré pour permettre un écoulement fluidique dans une seule direction, du tuyau en amont 52 vers le tuyau en aval 54. En d'autres termes; ce clapet anti-retour 62 est configuré pour empêcher un écoulement fluidique du tuyau en aval 54 vers le tuyau en amont 52. De préférence, comme le montre la figure 4, l'injecteur 32 comprend en outre un élément chauffant électrique 64 pour chauffer le dispositif anti-reflux 62. Cet élément chauffant 64 est configuré pur chauffer le dispositif anti-reflux 56 pendant une phase de démarrage du moteur à combustion interne 12. A cette fin, l'élément chauffant 64 comprend une résistance électrique 66 placée près du dispositif 20 art-reflux 56 et une unité de commande 68 pour fournir du courant électrique à la résistance électrique 66, l'unité de commande 68 étant confiourée pour détecter une phase de démarrage du moteur à combustion interne 12 et fournir du courant électrique à la résistance électrique 66 lorsqu'une telle phase de démarrage a été détectée. Dans l'exemple représenté, la résistance électrique 66 entoure le dispositif anti- 25 reflux 56 et est en particulier positionnée autour du siège de clapet 70. En variante, la résistance électrique 66 est positionnée à l'intérieur du dispositif anti-reflux 56. Cet élément chauffant 64 permet de décomposer le sel formé par l'agent réducteur à l'intérieur du dispositif anti-reflux 56 qui détériorerait la performance d'étanchéité du clapet anti-retour 70 efou obstruerait la conduite d'injection 38, et empêche ainsi la 30 survenance d'une détérioration de la performance d'étanchéité ou d'une obstruction de la conduite d'injection 38. En outre; dans le mode de réalisation de la figure 4, le tuyau en amont 52 est configuré pour être chauffé pendant les phases de travail du moteur à combustion interne 12. A cette fin; la plus grande partie du tuyau en amont 52 s'étend près du tuyau 35 d'échappement 31 de sorte que le tuyau en amont 52 est chauffé par le tuyau d'échappement 31 grâce au gaz d'échappement s'écoulant à travers ledit tuyau 8 d'échappement 31. Par « chauffé », on entend que ladite partie du tuyau en amont 52 est positionnée par rapport au tuyau d'échappement 31 de sorte à recevoir une puissance thermique rayonnée d'au moins 0,1 W par mètre linéaire de tuyau en amont 52 à partir du tuyau d'échappement 31 lorsque le gaz d'échappement s'écoule à travers le tuyau 31 est à une température supérieure à 120 'C, ladite puissance thermique rayonnée étant de préférence supérieure à 2 W par mètre linéaire de tuyau en amont 52. Cette puissance thermique rayonnée est d'ordinaire calculée au moyen de la loi de Stefan-Boltzmann, par exemple, à l'aide d'un logiciel de calcul thermique tel que TAIT.herm de ThermoAnaiytics®. ru La position appropriée de la partie du tuyau en amont 52 par rapport au tuyau d'échappement 31 de telle sotie qu'un tel chauffage puisse être fourni dépend de plusieurs facteurs, y compris de l'isolation thermique du tuyau d'échappement 31. L'homme du métier sera apte à déterminer cette position appropriée sans difficulté, en utilisant par exemple la conception assistée par ordinateur Le mode de réalisation de la figure 5 diffère de celui de la figure 4 en ce que le dispositif anti-reflux 56 est positionné à l'intérieur du mélangeur 30. Le tuyau en aval 54 est donc constitué de sa portion interne 57A et ne comprend pas de portion externe. En outre, le clapet an-retour 62 est constitué d'un matériau qui résiste à de hautes températures (supérieures à 500 'G). 20 Une autre différence est que, dans le quatrième mode de réalisation, l'injecteur 32 ne comprend pas d'élément chauffant électrique pour chauffer le dispositif asti-reflux 62. Grâce à l'invention susmentionnée, une obstruction de l'injecteur 32 est empêchée ou au moins réduite de manière significative. En conséquence, le temps d'indisponibilité de l'injecteur 32 est réduit. 25 Bien que les caractéristiques de l'invention aient été décrites dans plusieurs modes de réalisation, il doit être entendu que ces modes de réalisation peuvent être combinés les uns aux autres, et que l'invention s'étend également à ces combinaisons. Par exemple, le dispositif anti-reflux 56 peut comprendre simultanément un étranglement, au moins une chicane et un clapet anti-retour. En outre, le tuyau en amont 52 des modes 30 de réalisation des figures 2 et 3 peut être configuré pour être chauffé pendant les phases de travail du moteur à combustion interne 12 de la mémo manière que le tuyau en amont 52 du mode de réalisation de la figure 5. En outre, bien que l'injecteur 32 décrit ici comprenne une seule buse d'injection 34, l'invention n'est pas limitée à ce seul mode de réalisation. Dans des variantes (non représentées) de l'invention, l'injecteur 32 comprend plusieurs buses d'injection 34, REVENDICATIONS1, Injecteur (32) pour injecter un agent réducteur gazeux dans le flux de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (12); l'injecteur (32) comprenant au moins une buse d'injection (34), un système de dosage (36) pour fournir un écoulement dosé d'agent réducteur à la ou à chaque buse d'injection (34); et une conduite d'injection (38) reliant fluidiquement le système de dosage (36) à la ou à chaque buse d'injection (34), caractérisé en ce que la conduite d'injection (38) comprend un tuyau en amont (52) relié fluidiquement au système de dosage (36), au moins un tuyau en aval (54) reliant fluidiquement à la buse d'injection (34) respective, et au moins un dispositif anti-reflux (56) pour éviter ou minimiser l'écoulement fluidique du ou de chaque tuyau en aval (54) vers le tuyau en amont (52). 2. Injecteur (32) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif anti-reflux (56) est configuré pour permettre un écoulement fluidique du tuyau en amont (52) vers le tuyau en aval (54). 3. Injecteur (32) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif antireflux (56) présente au moins un étranglement (58) avec une section d'écoulement réduite par rapport au tuyau en aval (54). 4. Injecteur (32) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif anti-reflux comprend au moins une chicane (60) 5. Injecteur (32) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif anti-reflux (56) comprend un clapet anti-retour (62). 6. Injecteur (32) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un élément chauffant (64) pour chauffer le dispositif anti-reflux (56). 7, Injecteur selon la revendication 6, dans lequel l'élément chauffant (56) est configuré pour chauffer le dispositif anti-reflux (56) pendant une phase de démarrage du moteur à combustion interne (12). 8. Injecteur (32) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tuyau en amont (52) est configuré pour étre chauffé pendant les phases de travail du moteur â combustion interne (12). 9. Conduite d'échappement (10) pour un moteur à combustion interne (12) comprenant un mélangeur (30) configuré pour étre traversé par un flux de gaz d'échappement produit par le moteur à combustion interne (12) et 10 15 20 11 l'injecteur (32) de l'une quelconque des revendications précédentes pour injecter l'agent réducteur dans ledit flux de gaz d'échappement. 10. Conduite d'échappement (10) selon la revendication 9, dans laquelle le tuyau en aval (54) s'étend de la buse d'injection (34) au dispositif antireflux (56) et comprend une partie externe (57B) s'étendant à l'extérieur du mélangeur (30), ladite partie externe (57B) ayant une longueur inférieure à 2 m et de préférence, inférieure à 20 cm. 11. Conduite d'échappement (10) selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle le dispositif anti-reflux (56) est situé à l'intérieur du mélangeur (30). 12. Conduite d'échappement (10) selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, comprenant un tuyau d'échappement (31) pour guider le gaz d'échappement, au moins en partie du tuyau en amont (52) s'étendant près dudit tuyau d'échappement (31) de sorte que le tuyau en amont (52) est chauffé par le tuyau d'échappement (31) grâce au gaz d'échappement s'écoulant à travers ledit tuyau d'échappement (31). 13. Véhicule automobile comprenant la conduite d'échappement (10) selon l'une quelconque des revendications 9 à 12.