FR2908818A1 - Ligne d'echappement de moteur adaptee a homogeneiser la richesse en carburant dans les gaz d'echappement a l'entree des moyens de depollution et de filtrage - Google Patents

Ligne d'echappement de moteur adaptee a homogeneiser la richesse en carburant dans les gaz d'echappement a l'entree des moyens de depollution et de filtrage Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une ligne d'échappement (62) de moteur à combustion interne comportant une conduite d'échappement (63) et, en amont de moyens de dépollution et de filtrage (66), un injecteur de carburant (10) pourvu d'un orifice d'injection (11) orienté sensiblement selon l'axe (A63) de la conduite d'échappement.Selon l'invention, l'injecteur de carburant comporte un autre orifice d'injection (12) 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.

Description

1 DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention
concerne de manière générale les lignes d'échappement de moteur à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement 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. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Dans les lignes d'échappement de moteur à combustion interne, les moyens de dépollution et de filtrage des gaz d'échappement comportent usuellement un catalyseur d'oxydation et un filtre à particules. Le filtre à particules permet de récupérer les particules polluantes émises par la combustion du mélange de gaz frais dans la chambre de combustion du moteur. À partir d'un certain taux de remplissage du filtre à particules, son 15 efficacité diminue fortement. Il convient alors d'éliminer les particules qui remplissent le filtre à particules. Pour cela on réalise une phase de régénération qui consiste à injecter du carburant dans la ligne d'échappement, ce qui entraîne une phase d'oxydation exothermique dans le catalyseur d'oxydation. Les gaz d'échappement sortent 20 alors du catalyseur d'oxydation avec une température élevée et entrent dans le filtre à particules en brûlant les particules polluantes qui remplissent le filtre à particules. Il est connu, pour réaliser cette phase de régénération du filtre à particules, de disposer un injecteur de carburant de sorte que son orifice 25 d'injection débouche dans la conduite d'échappement sensiblement perpendiculairement à l'axe de la conduite d'échappement. Le carburant ainsi injecté est alors projeté sur la face interne de la conduite d'échappement, puis s'écoule le long de la conduite en s'évaporant en partie avant d'entrer dans le catalyseur d'oxydation. Le mélange de gaz brûlés et de carburant n'est donc pas 30 homogène. Par conséquent, certaines zones de la paroi du catalyseur d'oxydation, qui sont en contact avec un mélange de gaz d'échappement dont la richesse en carburant est élevée, sont soumises à de fortes élévations de températures, ce qui 2908818 2 risque d'abîmer et de réduire prématurément les performances du catalyseur d'oxydation. La difficulté consiste alors à maîtriser l'évaporation du carburant et son homogénéisation dans les gaz d'échappement pour optimiser la combustion des 5 particules polluantes et pour ne pas rejeter d'hydrocarbures dans l'atmosphère. Le document EP1643092 propose un injecteur de carburant 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 10 conduite d'échappement. Cette solution permet d'obtenir un mélange de gaz d'échappement et de carburant assez homogène en entrée du catalyseur d'oxydation lorsque le catalyseur d'oxydation 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. Il en résulte qu'avec la solution du document EP1643092, la richesse en carburant du mélange de gaz n'est pas homogène à l'entrée du catalyseur, puisque la richesse en carburant est très élevée au centre de la conduite d'échappement et faible à proximité de sa paroi latérale. OBJET DE L'INVENTION La présente invention propose une nouvelle ligne d'échappement dans laquelle la richesse de carburant dans les gaz d'échappement est homogène à l'entrée du catalyseur d'oxydation, en particulier lorsque la distance entre le catalyseur d'oxydation et l'injecteur de carburant est réduite. À cet effet, on propose selon l'invention 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 2908818 3 d'échappement, dans laquelle 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.
5 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 dans les gaz d'échappement. En effet, le rapprochement des orifices d'injection de la paroi de la conduite d'échappement, permet aux gaz d'échappement, qui circulent à proximité des parois de la conduite d'échappement 10 à l'entrée du catalyseur d'oxydation, d'être alimentés en carburant de sorte que la richesse en carburant des gaz d'échappement est homogène dans l'ensemble de la section de passage de la conduite d'échappement située à l'entrée du catalyseur d'oxydation. Même lorsque le catalyseur d'oxydation est relativement proche de 15 l'injecteur, le carburant injecté est réparti de manière sensiblement uniforme aussi bien au centre de la conduite d'échappement qu'à proximité de sa paroi latérale. L'oxydation par le catalyseur de ce mélange de gaz d'échappement et de carburant entraîne une élévation de température homogène de ce mélange homogène de gaz en entrée du filtre à particules. La phase de régénération du 20 filtre à particules est alors plus efficace. En particulier, l'homogénéisation de la température du mélange de gaz d'échappement permet de réduire le risque de destruction du catalyseur d'oxydation et du filtre à particules, tout en limitant le rejet d'hydrocarbure non brûlés dans l'atmosphère. Selon une première caractéristique avantageuse de l'invention, l'injecteur 25 de carburant comporte des moyens de vaporisation du carburant. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'injecteur de carburant s'étend suivant un diamètre de la conduite d'échappement. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, chaque orifice d'injection est positionné à une distance de l'axe de la conduite 30 d'échappement, égale à la moitié du rayon de la conduite d'échappement. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les deux orifices d'injection ont des diamètres différents. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'un des orifices d'injection situé en aval de l'autre, dans le sens de circulation du flux de 2908818 4 carburant dans l'injecteur de carburant, présente un diamètre supérieur à celui dudit autre orifice d'injection. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'injecteur de carburant comporte une canule d'injection dans laquelle est montée une plaque de 5 séparation et de guidage du carburant, conçue pour séparer le Flux de carburant en deux parties dirigées respectivement vers les deux orifices d'injection. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'injecteur de carburant comporte quatre orifices d'injection régulièrement répartis autour de l'axe de la conduite d'échappement.
10 Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, il est prévu des moyens de génération d'un flux tourbillonnaire dans la conduite d'échappement. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens de génération du flux tourbillonnaire comportent une turbine d'un 15 turbocompresseur. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés donnés à titres d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
20 Dans les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur comportant une ligne d'échappement équipée d'un injecteur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale de la ligne d'échappement de la figure 1 montrant l'injecteur de carburant selon un premier mode de 25 réalisation ; - la figure 3 est une vue de l'injecteur de carburant de la figure 2 dans un flux tourbillonnaire ; - la figure 4 est une vue en coupe transversale de la ligne d'échappement de la figure 1 montrant l'injecteur de carburant selon un deuxième mode de 30 réalisation ; la figure 5 est une vue en coupe de l'injecteur de carburant selon un troisième mode de réalisation ; 2908818 5 la figure 6 est une vue en coupe transversale de la ligne d'éc:happement de la figure 1 montrant l'injecteur de carburant selon un quatrième mode de réalisation. En préliminaire, on notera, que les éléments identiques ou similaires des 5 différents modes de réalisation de l'invention, représentés sur les différentes figures, seront dans la mesure du possible référencés par les mêmes signes de référence et ne seront pas décrits à chaque fois. Sur la figure 1, on a représenté un moteur à combustion interne qui comporte un circuit d'admission 7 d'air frais, un bloc-cylindres 5 et un circuit 10 d'échappement 6 de gaz d'échappement. Le circuit d'échappement 6 comporte d'une part, un collecteur d'échappement 61 qui récupère les gaz d'échappement issus des cylindres du bloc-cylindres 5 et, d'autre part, une ligne d'échappement 62 qui permet de rejeter les gaz d'échappement dans l'atmosphère après les avoir dépollués et filtrés.
15 À cet effet, la ligne d'échappement 62 comporte une conduite d'échappement 63 dans laquelle circule des gaz d'échappement et des moyens de dépollution et de filtrage 66 des gaz d'échappement. Les moyens de dépollution et de filtrage 66 comportent un catalyseur d'oxydation 64 et, en aval de ce catalyseur d'oxydation 64, dans le sens 20 d'écoulement des gaz d'échappement, un filtre à particules 65. Pour réaliser une phase de régénération du filtre à particules 65, il est également prévu de disposer un injecteur de carburant 10 qui débouche dans la conduite d'échappement 63, en amont des moyens de dépollution et de filtrage 66 des gaz d'échappement.
25 Dans tous les modes de réalisation représentés sur les figures 2 à 6, l'injecteur de carburant 10 comporte entre autres une canule d'injection 14 de carburant qui s'étend dans le plan de la section de passage de la conduite d'échappement 63. L'injecteur de carburant 10 comporte également des moyens de 30 vaporisation du carburant (non représentés) avant son injection dans la conduite d'échappement, qui permettent d'améliorer le mélange du carburant injecté avec les gaz d'échappement.
2908818 6 Les moyens de vaporisation du carburant comprennent ici une bougie de chauffage (non représentée sur les figures) qui peut être du type de celle utilisée pour le démarrage à froid des moteurs diesel. Le carburant étant, préalablement à son injection, vaporisé grâce aux 5 moyens de vaporisation intégrés dans l'injecteur, l'injecteur de carburant est également appelé vaporisateur. Le carburant ainsi vaporisé est injecté dans la conduite d'échappement par des orifices d'injection de la canule d'injection. Avantageusement, selon l'invention, comme représenté sur les figures 2 à 6, la canule d'injection 14 de l'injecteur de carburant 10 est pourvue d'un premier 10 et d'un deuxième orifice d'injection 11, 12 de carburant qui sont, d'une part, orientés sensiblement selon l'axe A63 de la conduite d'échappement 63 et, d'autre part, répartis de part et d'autre de l'axe A63 de la conduite d'échappement 63. La canule d'injection 14 de l'injecteur de carburant 10 débouche dans la conduite d'échappement 63 selon un rayon R d'une section de passage de la 15 conduite d'échappement 63, ce qui permet aux orifices d'injection 11, 12 d'être disposés dans un plan de symétrie de la conduite d'échappement 63 et ainsi de répartir correctement les flux de carburant injectés dans la section de passage de la conduite d'échappement 63. Un tel agencement des deux orifices d'injection 11, 12 avec la conduite 20 d'échappement 63 permet également de mieux répartir le carburant dans la section de passage de la conduite d'échappement au niveau de l'entrée du catalyseur d'oxydation 64. En particulier, les orifices d'injection 11, 12 étant rapprochés de la paroi de la conduite d'échappement 63, les gaz d'échappement qui circulent à proximité 25 des parois de la conduite d'échappement, sont alimentés en carburant de sorte que la richesse de carburant dans les gaz d'échappement est homogène dans l'ensemble de la section de passage de la conduite d'échappement à l'entrée du catalyseur d'oxydation 64. Chaque orifice d'injection 11, 12 est positionné à une distance Dl, D2 de 30 l'axe A63 de la conduite d'échappement 63, égale à environ la moitié du rayon R de la conduite d'échappement 63. Ici, la distance Dl entre le premier orifice d'injection 11 et l'axe A63 de la conduite d'échappement 63 est égale à la distance Dl entre le deuxième orifice d'injection 12 et l'axe A63.
2908818 7 Le moteur comporte un turbocompresseur pourvu d'une turbine 8 et d'un compresseur 9. La turbine 8 génère un mouvement tourbillonnaire 80 autour de l'axe A63 de la conduite d'échappement 63, communément appelé swirl . Comme représenté sur la figure 3, ce mouvement de :swirl 80 entraîne 5 dans son mouvement tourbillonnaire le flux de carburant vaporisé selon un chant de vitesses 81 dont l'amplitude est d'autant plus importante que les premier et deuxième orifices d'injection sont éloignés de l'axe A63 de la conduite d'échappement 63. Il résulte de l'entraînement en rotation du flux de carburant injecté, un meilleur mélange de ce flux de carburant avec les gaz d'échappement 10 qui circulent dans la conduite d'échappement. Selon un premier mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, les deux orifices d'injection 11, 12 présentent le même diamètre. Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 4, le deuxième orifice d'injection 12 situé en aval du premier orifice d'injection 11, dans 15 le sens de circulation du flux de carburant 90 dans l'injecteur de carburant, présente un plus grand diamètre que celui du premier orifice d'injection 11. Cette différence de diamètre est réalisée de manière à obtenir des débits équivalents pour les flux de carburant passant respectivement par les premier et deuxième orifices d'injection 11, 12. Le diamètre plus petit du premier orifice d'injection 11 20 permet d'équilibrer les pertes de charge lors de la circulation du flux de carburant dans l'injecteur et ainsi d'obtenir pour les flux de carburant en sortie du premier et du deuxième orifice d'injection, un débit sensiblement identique. Il est également possible de modifier la structure de la canule d'injection 14 de l'injecteur de carburant 10 de telle sorte que les débits de flux de carburant 25 soient sensiblement identiques en sortie des premier et deuxième orifices d'injection 11, 12. À cet effet, selon un troisième mode de réalisation représenté sur la figure 5, la canule d'injection 14 comporte une plaque de séparation et de guidage 13 conçue de manière à limiter les pertes de charges. Préférentiellement, les 30 premier et deuxième orifices d'injection sont alors de mêmes diamètres. Cette plaque s'étend le long de l'axe de la canule d'injection pour diviser le conduit intérieur de la canule d'injection en deux canaux, d'une part, un premier canal qui laisse s'échapper par le premier orifice d'injection 11 un premier flux de carburant 91 et, d'autre part, un deuxième canal qui laisse s'échapper par le deuxième 2908818 8 orifice d'injection 12 un deuxième flux de carburant 92. Cette plaque de séparation et de guidage 13 permet ainsi d'éviter que le débit de carburant rie passe que par le premier orifice d'injection 11. Selon un quatrième mode de réalisation représenté sur la figure 6, 5 l'injecteur de carburant 10 comporte quatre orifices d'injection 11, 12, 15, 16 régulièrement répartis autour de l'axe A63 de la conduite d'échappement 63. L'injecteur de carburant 10 est en forme de croix qui comporte ainsi deux branches formées par la canule d'injection 14 et une canule d'injection 21 auxiliaire. La canule d'injection 14 qui est située dans le prolongement de la 10 direction d'arrivée du flux de carburant 90 dans l'injecteur, comporte, comme dans les modes de réalisation précédents (figures 2 à 5), les deux orifices d'injection 11, 12. La canule d'injection 21 auxiliaire s'étend transversalement à la canule d'injection 14, suivant un diamètre de la conduite d'échappement, et comporte deux autres orifices d'injection 15, 16. Les quatre orifices d'injection 11, 12, 15, 16 15 sont répartis de manière régulière autour de l'axe A63 de la conduite d'échappement 63, à une même distance D de cet axe A63. Cette répartition régulière des orifices d'injection permet d'améliorer l'homogénéisation du carburant dans les gaz d'échappement à l'entrée du catalyseur d'oxydation. Ce quatrième mode de réalisation peut être cornbiné avec les 20 caractéristiques des autres modes de réalisation. En particulier, il est possible d'adapter le diamètre des trous pour équilibrer les débits d'injection par chaque orifice d'injection ou encore de positionner une, ou plusieurs, plaque de séparation et de guidage dans le conduit intérieur de la canule d'injection de l'injecteur. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation 25 décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. La canule d'injection 14 de l'injecteur de carburant 10 peut être obtenue par des procédés classiques d'usinage tel que par perçage, tournage, ou mécano-soudure.
30 En variante, on peut également prévoir de pratiquer un orifice d'injection dans l'injecteur de carburant qui soit centré sur l'axe de la conduite d'échappement. De manière générale, le nombre d'orifices d'injection de l'injecteur de carburant, au moins égal à deux, n'est pas limité.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Ligne d'échappement (62) de moteur à combustion interne comportant une conduite d'échappement (63) et, en amont de moyens de dépollution et de filtrage (66), un injecteur de carburant (10) pourvu d'un orifice d'injection (11) orienté sensiblement selon l'axe de la conduite d'échappement (63), caractérisée en ce que l'injecteur de carburant (10) comporte un autre orifice (12) d'injection orienté sensiblement selon l'axe de la conduite d'échappement (63), les deux orifices d'injection (11, 12) étant répartis de part et d'autre de l'axe (A63) de la conduite d'échappement (63).
2. Ligne d'échappement (62) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant (10) comporte des moyens de vaporisation du carburant.
3. Ligne d'échappement (62) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant (10) s'étend suivant un diamètre de la conduite d'échappement (63).
4. Ligne d'échappement (62) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque orifice d'injection (11, 12) est positionné à une distance (Dl, D2) de l'axe (A63) de la conduite d'échappement (63), égale à la moitié du rayon (R) de la conduite d'échappement (63).
5. Ligne d'échappement (62) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux orifices d'injection (11, 12) ont des diamètres différents.
6. Ligne d'échappement (62) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'un des orifices d'injection (12) situé en aval de l'autre orifice d'injection (11), dans le sens de circulation du flux de carburant (90) dans l'injecteur de carburant (10), présente un diamètre supérieur à celui dudit autre orifice d'injection (11).
7. Ligne d'échappement (62) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant (10) comporte une canule d'injection (14) dans laquelle est montée une plaque de séparation et de guidage (13) du carburant, conçue pour séparer le flux de carburant (90) en deux parties (91, 92) dirigées respectivement vers les deux orifices (11, 12). 2908818 10
8. Ligne d'échappement (62) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant (10) comporte quatre orifices (11, 12, 15, 16) régulièrement répartis autour de l'axe (A63) de la conduite d'échappement (63). 5
9. Ligne d'échappement (62) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (8) de génération d'un flux tourbillonnaire (80) dans la conduite d'échappement (63).
10. Ligne d'échappement (62) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les moyens (8) de génération du flux tourbillonnaire (80) 10 comportent une turbine (8) d'un turbocompresseur.
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JPH03210009A (ja) * 1990-01-10 1991-09-13 Babcock Hitachi Kk ディーゼル排ガス浄化装置
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