EP2347103A1 - Dispositif de vaporisation de carburant, systeme de post traitement et procede de commande associes - Google Patents

Dispositif de vaporisation de carburant, systeme de post traitement et procede de commande associes

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EP2347103A1
EP2347103A1 EP09756021A EP09756021A EP2347103A1 EP 2347103 A1 EP2347103 A1 EP 2347103A1 EP 09756021 A EP09756021 A EP 09756021A EP 09756021 A EP09756021 A EP 09756021A EP 2347103 A1 EP2347103 A1 EP 2347103A1
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EP
European Patent Office
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liquid fuel
fuel
vaporization
main body
chambers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09756021A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Xavier Jeandel
Chi-Dung Ton
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Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Publication of EP2347103A1 publication Critical patent/EP2347103A1/fr
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to the post-processing of nitrogen oxides (NO x ) and soot particles (PM) generated in an exhaust line of a thermal engine vehicle.
  • a first type of known post-treatment system is to make traps accumulating within them the species to be treated. These traps need to be cleaned periodically throughout their use (driving the vehicle).
  • the so-called regeneration operation is carried out by operating the engine in a "rich mixture” condition by modifying its settings, so as to increase the exhaust gas temperature up to a value favorable to the combustion of the soot particles contained in the particulate filter, ie to increase the amount of "reducing agents" (hydrocarbon fuels, carbon monoxide, hydrogen) in order to convert the molecules of nitrogen oxide retained in the trap in m inert nitrogen molecules.
  • the driver may experience driving discomfort due to changes in engine speed.
  • increasing the amount of fuel injected into the cylinders increases the risk of droplets being mixed in the engine oil, thus degrading the engine lubrication performance.
  • a second type of post-treatment system in which the fuel is injected directly into the exhaust line, in liquid or vapor form. This operation introduces reducing species closer to particle filters and traps to facilitate the rise in temperature or reduction of the species stored there.
  • One solution for improving the regeneration efficiencies is to select or introduce more reactive species, that is to say molecules with higher reductive potential. This is done when hydrocarbons (HC) are introduced and then converted to carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) by a reforming action.
  • HC hydrocarbons
  • CO carbon monoxide
  • H 2 hydrogen
  • Document EP 1 643 092 A1 discloses such a system in which a hydraulic pump draws the liquid fuel in the vehicle tank to deliver it inside a chamber of a vaporizer comprising a heating pencil. Typically an electric heating candle, to ensure the vaporization of the liquid. The vaporized fuel is then delivered directly to the exhaust line, upstream of the traps and particulate filters in the escape direction, to allow regeneration of the latter.
  • Document FR 2 904 362 also describes a sim- ilar system in which the fuel is injected in liquid form into the vaporizer, not by means of a hydraulic pump, but by using a pressurized sector of the circuit. engine fuel injection.
  • vaporizer geometries have the disadvantage of having a large volume around the heating rod.
  • the vaporization of the hydrocarbons is thus delayed because of the greater mass of fuel to be evaporated.
  • the liquid fuel can also lead to the formation of coke due to the significant duration of contact of the liquid fuel with the surface of the red-raised pencil. Carbon deposition which forms on the surface can then lead to problems of deterioration of the heating rod.
  • the present invention aims to overcome the above disadvantages by proposing a vaporization device in which the response time is reduced, so as to improve the durability of the system.
  • the first object of the invention is a fuel vaporization device intended to equip a system for post-treatment of polluting em issions in an exhaust line of a motor vehicle with a thermal engine, the device being suitable for receiving liquid fuel and having an outlet port opening directly into said exhaust line, capable of delivering vaporized fuel, characterized in that it comprises:
  • a main body comprising at least two housings each intended to receive and hold a heating rod extending parallel to the longitudinal axis of said main body, an inlet channel for receiving liquid fuel, and a central channel; extending along the longitudinal axis for conveying the liquid fuel received by the inlet channel of the device;
  • each spray chamber being able to receive the active part of the corresponding heating rod
  • the device may comprise more than two housings, each being able to receive and maintain a heating pencil extending parallel to the longitudinal axis of said main body, and a corresponding number of chambers of vaporization each extending a housing to receive the active part of a heating pencil corresponding.
  • said first means are adapted to simultaneously distribute the liquid fuel supplied by the central channel to each of the spray chambers.
  • said first means comprise, on the one hand, a screw having a screw head and a rod placed along the longitudinal axis of the main body in the extension of the central channel, said rod being axially pierced at its center and radially at least one opening below the screw head, and secondly, an annular surface of the main body concentric with the longitudinal axis, said annular surface having radial grooves opening each on one of the spray chambers as close as possible to the head of the heating rod, the lower part of the screw head cooperating with the annular surface and said grooves to form a sealed cavity in com m unication with the vaporization cham bers, said cavity receiving liquid fuel delivered by the central channel via said rod, and distributing this liquid fuel simultaneously in the called vaporizing chambers.
  • the main body comprises an axial shaft placed in the extension of the inlet channel, receiving said rod of the screw, and an axial housing whose bottom is delimited by said annular surface, said axial housing receiving the screw head.
  • the second means preferably comprise a vaporized fuel injector, said injector comprising an annular base axially fixed to an end portion of the main body enclosing said vaporization chambers, and sealingly covering said extremity portion.
  • a vaporized fuel injector said injector comprising an annular base axially fixed to an end portion of the main body enclosing said vaporization chambers, and sealingly covering said extremity portion.
  • an injection tube axially surmounting said em annular base, said tube comprising at least one radial orifice forming the outlet orifice of the device.
  • the present invention also relates to the system for post-treatment of polluting em issions in an exhaust line of a thermal vehicle, including such a fuel spraying device adapted to receive liquid fuel and to deliver vaporized fuel directly into said exhaust line.
  • the present invention also relates to the control method of a post treatment system equipped with the spraying device.
  • FIGS. 1a and 1b are exploded perspectives, respectively in view from above and from below of a vaporization device according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a partial sectional elevation of the device of FIGS. 1a and 1b in assembled position showing in detail the liquid fuel circuit inside the device;
  • FIG. 3 is a top view in perspective of the main body of the spray device
  • FIG. 4 is a partial sectional elevation of the device in the assembled position, showing in detail the vaporized fuel circuit inside the device;
  • FIG. 5 illustrates an example of positioning of the spraying device with respect to the escape line.
  • liquid fuel circuit of the vaporization device that is to say the part of the device for conveying liquid fuel to vaporization system, that is to say the part of the device which is able to convey the fuel vaporized to the exhaust line of the motor vehicle.
  • the vaporization device 1 comprises a main body 10 comprising a plurality of housings 11, each housing 11 being intended to receive and hold a heating pencil 2 extending parallel to the axis longitudinal axis XX 'of the main body 10.
  • these housings are three in number, preferably uniformly distributed around the longitudinal axis XX'.
  • the principle of the invention applies from two housings intended to receive two heating rods, these two housings being in this case preferably placed symmetrically with respect to the longitudinal axis XX '.
  • the end portion 12 of the main body 10 intended to receive the active portion 20, that is to say heating, heating rods 2 comprises three cavities each extending a housing 11 along the longitudinal axis XX 'and intended to form, cooperation with the base 30 of a piece 3 forming a vaporized fuel injector which will be detailed later, three chambers 13 of vaporization. These three chambers 13 are intended to be fed simultaneously with liquid fuel.
  • the main body 10 is supplied with liquid fuel at an inlet channel 14 extending preferably transversely, in particular orthogonally, to the longitudinal axis XX 'of the main body 10. As visible particularly in Figures 2 and 3, the main body 10 also has a central channel 15 extending along the longitudinal axis XX '.
  • a first end of this central channel 15 is connected to one end of the inlet tube 14, and has a second end 15b opening at an axial shaft 16 of the end portion 12, located in the extension of the central channel 15.
  • the extremal portion 12 comprises, at this level and above the axial shaft 16, an axial housing 17 of shape substantially cylindrical and radial dimension greater than that of the axial shaft 16 (see more particularly Figure 1a and Figure 3).
  • This axial housing 17 has a bottom defined by an annular surface 18 concentric with the axis XX '.
  • the axial housing 17 and the axial shaft 16 are intended to receive respectively the head 40 and the rod 41 of a screw 4.
  • the screw 4 when the screw 4 is put in place in the spray device 1, the lower surface of the head 40 of the screw comes into contact with the annular surface 18, and the rod 41 is located in the axial shaft 16, in the extension of the central channel 15.
  • the screw 4 can be fixed by screwing.
  • the wall of the axial shaft 16 must be threaded to receive a corresponding thread present on the rod 41.
  • the rod 41 is further axially pierced at its center, and radially by at least one opening 42 formed just below the head 40 of screws.
  • the opening 42 thus opens into a sealed annular cavity 19 formed by the axial housing 17, and more precisely by the annular surface 18, and the lower part of the screw head 40.
  • the annular surface 18 finally comprises three radial grooves 18 'which have been machined to connect the second end 15b of the central pipe 15 to each of the chambers 13 of vaporization.
  • the annular sealed cavity 19 is in communication with each of the vaporization chambers 13 via these three grooves.
  • the spraying device is first supplied with liquid fuel under pressure via the inlet channel 14. This can be done by means of a pump and a valve placed between the fuel tank and the inlet of the device vaporization, or via a dedicated injector.
  • the liquid fuel then rises in the main body 10 through the central channel 15, passes through the inside of the rod 41 of the screw 4 to be directed towards the annular cavity 19 by means of the opening 42 or radially drilled openings in the rod 41.
  • the annular cavity 19, formed between the base of the head 40 of screw and the annular surface 18, supplies liquid fuel the three grooves 18 'which in turn feed the three chambers 13 of vaporization in which the heads 20 of the heating rods 2 dip.
  • the liquid fuel emerging from the grooves is then projected onto the heads heating of the three rods 2 on which it comes to vaporize.
  • vaporization chambers can be simultaneously supplied with liquid fuel through the cooperation of various means allowing conveying the liquid fuel from the central channel 15 to each of the chambers, and more specifically:
  • the inlet channel 14, the central channel 15, the housing 11, the cavities extending the housing 11 to form the vaporization chambers, the axial shaft 16, the axial housing 17, and the annular surface 18 provided with its grooves 18 are preferably all integral parts of the central body 10, in that it is a single piece.
  • the liquid fuel flow is defined by the distance separating the lower part of the screw head and the bottom of the grooves 18 '.
  • this distance can be done by simply re-machining the central body 10 of removing the meatier.
  • the annular surface 18 which will have the effect of reducing the depth of the grooves, and consequently of reducing the flow rate.
  • the grooves 1 8 ' which will have the effect of increasing the depth of these grooves, and thus increase the flow rate.
  • the hydraulic diameter of the groove can be understood as an example between 0.25 and 3 m.
  • the device is also very simple to manufacture: two parts (the central body 1 0 and the screw 4) are sufficient for the distribution of fuel in the set of spray chambers hosting the heads 20 of heating rods 2. L assembly is performed by sim ple screwing of the screw 4 in the body 1 0.
  • the central body 10 can also be easily adapted by multiplying the number of grooves according to the number of spray chambers to be fed.
  • This steam circuit is intended to convey the vaporized fuel from the different spray chambers previously described directly in the exhaust line 5 (see FIG. 5).
  • the vapor circuit is formed by the cooperation of the vaporized fuel injector part 3 with the main body of the vaporizer, and more precisely with the end portion 12 of the body enclosing the chambers 13 of vaporization.
  • the vaporized fuel injector 3 comprises an annular base 30 of suitable shape for fixing and sealingly covering the end portion 12.
  • the end portion 12 has a cylindrical outer casing, so that the annular base 30 also has a cylindrical outer casing adapted to be fitted axially on the end portion 12.
  • An annular seal 6 preferably reinforces the tightness of the assembly .
  • the annular base 30 is fixed on the end portion 12 so as to leave a space between the inner wall 31 of the upper surface of the base 30 and the top of the vaporization chambers so as to allow the vaporized fuel in the chambers to invade the internal space of this base.
  • the annular base 30 is surmounted by an injection tube 32 extending along the axis XX ', this tube being provided with at least one radial orifice 33 for the escape of the vaporized fuel into the line d 5.
  • the internal space of the base 30 and the internal space of the tube 32 are in communication, so that the fuel vapor from the different chambers 13 progresses in the injector 3 via its base 30 and opens then in the exhaust line 5 by means of the orifices 33.
  • the section of passage between the base 30 and the tube 32 advantageously has a trumpet-shaped profile 34 for limit the pressure losses and promote the circulation of the vaporized fuel.
  • the injection tube 32 advantageously also serves for fixing the device 1 for vaporizing fuel on the exhaust line 5.
  • the number, the section and the position of the orifices 33 on the wall of the tube 32 depend on the targeted injection conditions. However, it will be preferred to direct the orifice 33 so that the fuel is countercurrently vaporized with respect to the exhaust direction of gases in the exhaust line 5 (see FIG. 5).
  • the com m iteration sequence preferably commences with the preheating of the heating rods for a predetermined time, for example of the order of 10 seconds.
  • the devices (pump, valve, injector, etc.) of the system enabling the liquid fuel to be delivered to the inlet channel 14 of the device are then combined to allow a distribution of the liquid fuel at a nominal flow rate.
  • the liquid fuel circuit of the vaporization device replenishes very quickly, typically in 2 or 3 seconds at a rate of 0.25 g / s.
  • the subsequent fuel vaporization results in a rise in richness in the escapement line 5. It can be observed by the installation in the system of a wealth probe (not shown). in the exhaust line 5. The measurement of this probe can thus be used to regulate the liquid fuel flow of the vaporization device, by controlling the pump or the aforementioned valve or injector, so as to achieve the desired richness in the escape line.
  • the step of preheating the heating elements advantageously allows rapid vaporization.
  • the residual fuel in each chamber 1 3 of vaporization at the time of the heating of the heating rod by the limitation of its volume.
  • the volume may be between 0.6 and 1.5 cm 3 and advantageously 0.95 cm 3. These values will be achieved by varying the diameter. , depth and / or form of each chamber 1 3.
  • each chamber 18 will be emptied of its contents by keeping the heating rods in temperature for a few seconds while the supply of liquid fuel is cut off. .
  • the fuel vaporization device makes it possible to deliver a fuel vapor flow rate adapted to the targeted applications. Indeed, the number of chambers of vaporization and corresponding heating rods can be increased. This operation is possible thanks to the circular design of the vaporizer. In the case where it is desired to increase the number of chambers of vaporization, it is sufficient to increase the diameter of the spray device.
  • the design of the vaporization device allows the assembly of heating rods from the trade. Indeed the spray device does not require heating rods of particular design. Advantageously, it will be preferable to choose short heating rods in order to reduce the size of the vaporizer. However, care should be taken to protect their electrical connections from strong temperature rises.
  • the lights 7 are advantageously made in the main body 10, along the housing 11 receiving the heating rods 2. These lights 7 allow indeed a circulation of air around the heating rods and limit the contact points with the body 10.
  • the air flowing under the vehicle will accentuate the cooling of the device.
  • the lights also optimize the weight and thermal mass of the device.
  • the vaporizer can provide a fuel vapor flow rate of between 0.05 and 0.35 g / s.
  • This flow rate is controlled by the regulation of the liquid fuel, as seen above, and by regulating the temperature of the vaporization chamber 13 by means of a thermocouple or other means of temperature measurement (not shown) implanted in an orifice 8 practiced in the main body (see Figures 1b and 4), and opening closer to the active part of the heating rods.
  • the regulation by the thermocouple makes it possible to guarantee the temperature necessary for the vaporization of the liquid fuel but also to control the power supply of the heating rods and to inject the electric power just necessary.
  • the energy management law can be defined to cut the power supply of the heating rods when the temperature is above a set temperature.
  • This regulation also has the advantage of preserving the integrity of the system by prohibiting an excessive rise in temperature.
  • This temperature can be between 270 and 400 ° C and for example be fixed at 320 ° C.
  • This setpoint temperature ensures complete fuel vaporization at around 240 ° C.
  • the heating rods can be kept warm for 10 seconds or until reaching 320 ° C (T set point) so as to empty the liquid fuel from the spray chambers. This operation therefore contributes to the durability of the device since it avoids the phenomena of coking of the liquid fuel during the heating of the heating rods.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) de vaporisation de carburant recevant du carburant liquide et comportant un orifice de sortie (33) débouchant directement dans une ligne d'échappement d'un véhicule, pour délivrer du carburant vaporisé. Selon l 'invention, le dispositif comprend : un corps principal (10) comportant au moins deux logements (11) pour recevoir chacun un crayon chauffant (2) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal (XX'), un canal (14) d'entrée pour recevoir du carburant liquide, et un canal (15) central s'étendant selon l'axe longitudinal (XX') pour acheminer le carburant liquide reçu par le canal (14) d'entrée; deux chambres (13) de vaporisation prolongeant chacune un des deux logements (11), et recevant la partie active (20) du crayon chauffant; des moyens (4, 18, 18') pour répartir simultanément le carburant liquide acheminé par le canal (15) central vers chacune des deux chambres; et des moyens ( 3, 12) pour acheminer le carburant vaporisé depuis les chambres jusqu'à l'orifice (33) de sortie.

Description

Dl SPOSI Tl F DE VAPORI SATI ON DE CARBU RANT, SYSTEM E DE POST TRAI TEMENT ET PROCEDE DE COMMAN DE ASSOCI ES
La présente invention concerne le post traitem ent des oxydes d'azote (NOx) et des particules de suies ( PM) générés dans une ligne d'échappement d'un véhicule à m oteur therm ique.
L'évolution de la réglementation sur les ém issions polluantes des véhicules à m oteur therm ique conduit, notam m ent pour les véhicules à motorisation dite "m élange pauvre", à la m ise en place de tels posttraitements.
Un prem ier type de systèm e de post traitement connu consiste à réaliser des pièges accum ulant en leur sein les espèces à traiter. Ces pièges nécessitent d'être nettoyés périodiquem ent tout au long de leur utilisation (roulage du véhicule) . L'opération dite de régénération s'effectue en faisant opérer le m oteur en condition de "m élange riche" par m odification de ses réglages, de façon soit, à augm enter la tem pérature des gaz d'échappem ent j usqu'à une valeur favorable à la com bustion des particules de suies contenues dans le filtre à particules, soit à augmenter la quantité de "réducteurs" (hydrocarbures im brulés, monoxyde de carbone, hydrogène) afin de convertir les m olécules d'oxyde d'azote retenues dans le piège en m olécules inertes d'azote. Avec ce type de systèm e néanm oins, le conducteur peut ressentir un inconfort de conduite du fait des m odifications du régime moteur. En outre, en augm entant la quantité de carburant injecté dans les cylindres, on accroît le risque que des gouttelettes viennent se mélanger dans l'huile m oteur, dégradant ainsi les performances de lubrification du moteur.
Pour éviter ces inconvénients, un deuxièm e type de systèm e de post traitement a été proposé, dans lequel on injecte directement le carburant dans la ligne d'échappem ent, sous forme liquide ou vapeur. Cette opération permet d'introduire des espèces réductrices au plus près des filtres à particules et des pièges pour en faciliter la montée en tem pérature ou la réduction des espèces qui y sont stockées. Une solution pour améliorer les efficacités de régénération est de sélectionner ou d'introduire des espèces plus réactives, c'est-à-dire des molécules à plus fort potentiel réducteur. C'est ce qui est fait lorsque l'on vient introduire des hydrocarbures ( HC) pour les convertir ensuite en monoxyde de carbone (CO) et hydrogène ( H2) par une action de réform age.
On s'intéresse dans la suite plus particulièrem ent aux systèm es de post traitem ent dans lesquels le carburant est injecté directement dans la ligne d'échappem ent sous form e vaporisée.
On connaît notam m ent du document EP 1 643 092 A1 un tel système dans lequel une pom pe hydraulique prélève le carburant liquide dans le réservoir du véhicule pour le délivrer à l'intérieur d'une enceinte d'un vaporisateur com prenant un crayon chauffant, typiquem ent une bougie de chauffage électrique, pour assurer la vaporisation du liquide. Le carburant vaporisé est ensuite délivré directem ent dans la ligne d'échappem ent, en amont des pièges et filtres à particules dans le sens de l'échappem ent, pour permettre la régénération de ces derniers.
Le Docum ent FR 2 904 362 décrit égalem ent un systèm e sim ilaire dans lequel le carburant est injecté sous forme liquide dans le vaporisateur, non pas par l'interm édiaire d'une pom pe hydraulique, mais en utilisant un secteur pressurisé du circuit d'injection de carburant du moteur.
Dans les deux cas, les géom étries de vaporisateur présentent l'inconvénient de posséder un grand volum e autour du crayon chauffant. La vaporisation des hydrocarbures est ainsi retardée du fait de la plus grande masse de carburant à évaporer. Dans ce cas de figure, le carburant liquide peut égalem ent conduire à la formation de coke du fait de la durée im portante de m ise en contact du carburant liquide avec la surface du crayon portée au rouge. Le dépôt de carbone qui se forme sur la surface peut alors conduire à des problèm es de détérioration du crayon chauffant.
La présente invention vise à pallier les inconvénients précédents en proposant un dispositif de vaporisation dans lequel le tem ps de réponse est réduit, de façon à am éliorer la durabilité du systèm e.
A cet effet, l'invention a pour prem ier objet un dispositif de vaporisation de carburant destiné à équiper un système de post traitement des ém issions polluantes dans une ligne d'échappement d'un véhicule à moteur therm ique, le dispositif étant apte à recevoir du carburant liquide et com portant un orifice de sortie débouchant directem ent dans ladite ligne d'échappem ent, apte à délivrer du carburant vaporisé, caractérisé en ce qu'il com prend :
- un corps principal com portant au m oins deux logem ents destinés chacun à recevoir et maintenir un crayon chauffant s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal dudit corps principal, un canal d'entrée pour recevoir du carburant liquide, et un canal central s'étendant selon l'axe longitudinal pour achem iner le carburant liquide reçu par le canal d'entrée du dispositif ;
- deux cham bres de vaporisation prolongeant chacune un des deux logements, chaque cham bre de vaporisation étant apte à recevoir la partie active du crayon chauffant correspondant ;
- des prem iers m oyens pour répartir sim ultaném ent le carburant liquide achem iné par le canal central vers chacune des deux cham bres de vaporisation ; et
- des deuxièmes m oyens pour achem iner le carburant vaporisé depuis les cham bres de vaporisation jusqu'à l'orifice de sortie.
Le dispositif peut com porter plus de deux logements, chacun étant apte à recevoir et m aintenir un crayon chauffant s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal dudit corps principal, et un nom bre correspondant de cham bres de vaporisation prolongeant chacune un logement pour recevoir la partie active d'un crayon chauffant correspondant. Dans ce cas, lesdits prem iers m oyens sont adaptés pour répartir sim ultaném ent le carburant liquide achem iné par le canal central vers chacune des cham bres de vaporisation.
Dans un mode de réalisation particulièrem ent avantageux, lesdits prem iers moyens com portent d'une part, une vis présentant une tête de vis et une tige placée selon l'axe longitudinal du corps principal dans le prolongem ent du canal central, ladite tige étant percée axialem ent en son centre et radialement par au m oins une ouverture en dessous de la tête de vis, et d'autre part, une surface annulaire du corps principal concentrique avec l'axe longitudinal, ladite surface annulaire com prenant des rainures radiales débouchant chacune sur une des cham bres de vaporisation au plus près de la tête du crayon chauffant, la partie inférieure de la tête de vis coopérant avec la surface annulaire et lesdites rainures pour former une cavité étanche en com m unication avec les cham bres de vaporisation, ladite cavité recevant du carburant liquide délivré par le canal central par l'intermédiaire de ladite tige, et répartissant ce carburant liquide sim ultaném ent dans lesdites cham bres de vaporisation.
De préférence, le corps principal com porte un fût axial placé dans le prolongem ent du canal d'entrée, recevant ladite tige de la vis, et un logem ent axial dont le fond est délim ité par ladite surface annulaire, ledit logem ent axial recevant la tête de vis.
Les deuxièm es m oyens com prennent de préférence un injecteur de carburant vaporisé, ledit injecteur com portant une em base annulaire fixée axialem ent à une partie extrém ale du corps principal renferm ant lesdites cham bres de vaporisation, et recouvrant de façon étanche ladite partie extrém ale, et un tube d'injection surmontant axialement ladite em base annulaire, ledit tube com portant au moins un orifice radial form ant l'orifice de sortie du dispositif.
La présente invention a égalem ent pour objet le système de post traitement des ém issions polluantes dans une ligne d'échappement d'un véhicule à m oteur therm ique, com portant un tel dispositif de vaporisation de carburant apte à recevoir du carburant liquide et à délivrer du carburant vaporisé directem ent dans ladite ligne d'échappem ent.
La présente invention concerne également le procédé de com mande d'un systèm e de post traitem ent équipé du dispositif de vaporisation.
La présente invention et les avantages qu'elle procure seront m ieux com pris au vu de la description suivante d'un dispositif de vaporisation selon l'invention équipant un système de post traitem ent des ém issions polluantes d'un véhicule autom obile, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles :
- les figures 1 a et 1 b sont des perspectives éclatées, respectivem ent en vue dessus et de dessous d'un dispositif de vaporisation selon un mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 2 est une coupe partielle en élévation du dispositif des figures 1 a et 1 b en position assem blée montrant en détail le circuit de carburant liquide à l'intérieur du dispositif ;
- la figure 3 est une vue de dessus en perspective du corps principal du dispositif de vaporisation ;
- la figure 4 est une coupe partielle en élévation du dispositif en position assem blée m ontrant en détail le circuit de carburant vaporisé à l'intérieur du dispositif ;
- la figure 5 illustre un exem ple de positionnement du dispositif de vaporisation par rapport à la ligne d'échappem ent.
Dans la description qui va suivre, on va s'attacher à décrire tout d'abord le circuit de carburant liquide du dispositif de vaporisation, c'est-à-dire la partie du dispositif permettant d'achem iner du carburant liquide jusqu'au lieu de vaporisation, puis, le circuit de carburant vaporisé, c"est-à-dire la partie du dispositif perm ettant d'achem iner le carburant vaporisé jusqu'à la ligne d'échappement du véhicule automobile.
En référence aux figures 1a à 3, le dispositif de vaporisation 1 selon l'invention comporte un corps principal 10 comportant une pluralité de logements 11 , chaque logement 11 étant destiné à recevoir et maintenir un crayon 2 chauffant s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal XX' du corps principal 10. Dans le mode de réalisation préféré, ces logements sont au nombre de trois, de préférence uniformément répartis autour de l'axe longitudinal XX'. Néanmoins, le principe de l'invention s'applique à partir de deux logements destinés à recevoir deux crayons chauffants, ces deux logements étant dans ce cas de préférence placés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal XX'.
La partie extrémale 12 du corps principal 10 destinée à recevoir la partie active 20, c'est-à dire chauffante, des crayons chauffants 2, comporte trois cavités prolongeant chacune un logement 11 selon l'axe longitudinal XX' et destinées à former, en coopération avec l'embase 30 d'une pièce 3 formant injecteur de carburant vaporisé qui sera détaillée par la suite, trois chambres 13 de vaporisation. Ces trois chambres 13 sont destinées à être alimentées simultanément en carburant liquide. Pour ce faire, le corps principal 10 est alimenté en carburant liquide au niveau d'un canal d'entrée 14 s'étendant de préférence transversalement, en particulier orthogonalement, à l'axe longitudinal XX' du corps principal 10. Comme visible tout particulièrement sur les figures 2 et 3, le corps principal 10 comporte également un canal central 15 s'étendant le long de l'axe longitudinal XX'. Une première extrémité de ce canal central 15 est reliée à une extrémité du tube d'entrée 14, et présente une deuxième extrémité 15b débouchant au niveau d'un fût axial 16 de la partie extrémale 12, placé dans le prolongement du canal centrale 15. La partie extrémale 12 comporte, à ce niveau et au-dessus du fût axial 16, un logement axial 17 de forme sensiblement cylindrique et de dimension radiale supérieure à celle du fût axial 16 (voir plus particulièrement la figure 1a et la figure 3). Ce logement axial 17 comporte un fond délimité par une surface annulaire 18 concentrique avec l'axe XX'. Le logement axial 17 et le fût axial 16 sont destinés à recevoir respectivement la tête 40 et la tige 41 d'une vis 4. Plus précisément, lorsque la vis 4 est mise en place dans le dispositif de vaporisation 1, la surface inférieure de la tête 40 de vis vient en accostage sur la surface annulaire 18, et la tige 41 est située dans le fût axial 16, dans le prolongement du canal central 15. La vis 4 peut être fixée par vissage. Dans ce cas, la paroi du fût axial 16 doit être taraudée pour recevoir un filetage correspondant présent sur la tige 41.
La tige 41 est en outre percée axialement en son centre, et radialement par au moins une ouverture 42 pratiquée juste en dessous de la tête 40 de vis. L'ouverture 42 débouche ainsi dans une cavité annulaire 19 étanche formée par le logement axial 17, et plus précisément par la surface annulaire 18, et la partie inférieure de la tête 40 de vis.
La surface annulaire 18 comporte enfin trois rainures radiales 18' qui ont été usinées de façon à relier la deuxième extrémité 15b de la canalisation centrale 15 à chacune des chambres 13 de vaporisation. Ainsi, la cavité annulaire étanche 19 est en communication avec chacune des chambres de vaporisation 13 par l'intermédiaire de ces trois rainures.
Le fonctionnement du dispositif pour la partie correspondant au circuit de carburant liquide est par conséquent le suivant :
Le dispositif de vaporisation est tout d'abord alimenté en carburant liquide sous pression via le canal d'entrée 14. Cela peut se faire au moyen d'une pompe et d'une vanne placée entre le réservoir de carburant et l'entrée du dispositif de vaporisation, ou encore par l'intermédiaire d'un injecteur dédié. Le carburant liquide remonte ensuite dans le corps principal 10 par le canal central 15, passe par l'intérieur de la tige 41 de la vis 4 pour être dirigé vers la cavité annulaire 19 au moyen de l'ouverture 42 ou des ouvertures percées radialement dans la tige 41. La cavité annulaire 19, formée entre la base de la tête 40 de vis et la surface annulaire 18, alimente en carburant liquide les trois rainures 18' qui alimentent à leur tour les trois chambres 13 de vaporisation dans lesquelles plongent les têtes 20 des crayons chauffants 2. Le carburant liquide débouchant des rainures est alors projeté sur les têtes chauffantes 20 des trois crayons 2 sur lesquelles il vient se vaporiser.
Ainsi, à partir d'un corps central 10 permettant de recevoir une pluralité de crayons chauffant disposés parallèlement à l'axe longitudinal XX' du corps, différentes chambres de vaporisation peuvent être simultanément alimentées en carburant liquide grâce à la coopération de différents moyens permettant l'acheminement du carburant liquide depuis le canal central 15 vers chacune des chambres, et plus précisément :
- par l'utilisation de la vis 4 percée axialement au niveau de sa tige 41 pour prolonger le canal central 15 ;
- par la coopération de la partie inférieure de la tête 40 de vis avec la surface annulaire 18 pourvue de ses rainures 18' pour réaliser une cavité annulaire étanche en communication avec les chambres de vaporisation 13, dans laquelle le carburant liquide venant du canal central 15 et passant dans la vis peut se répandre, et par suite, être réparti uniformément et simultanément dans les chambres de vaporisation, au plus près des têtes des crayons chauffants.
Le canal d'entrée 14, le canal central 15, les logements 11, les cavités prolongeant les logements 11 pour former les chambres de vaporisation, le fût axial 16, le logement axial 17, ainsi que la surface annulaire 18 munie de ses rainures 18' font de préférence tous partie intégrante du corps central 10, en ce sens qu'il s'agit d'une même pièce. La conception du circuit de carburant liquide dans le dispositif de vaporisation tel qu'il vient d'être décrit perm et d'obtenir l'étanchéité au niveau de chaque rainure 1 8' par accostage de la tête de vis sur la surface annulaire 18.
En outre, le débit de carburant liquide est défini par la distance séparant la partie inférieure de la tête de vis et le fond des rainures 1 8'. Ainsi, il est possible d'utiliser un m ême dispositif de vaporisation pour différents types de véhicules, en adaptant sim plem ent cette distance. Ceci peut être fait par sim ple ré usinage du corps central 10 consistant à enlever de la m atière. Ainsi, on peut ré usiner la surface annulaire 18, ce qui aura pour effet de dim inuer la profondeur des rainures, et par suite de réduire le débit. On peut égalem ent ré usiner les rainures 1 8' ce qui aura pour effet d'augmenter la profondeur de ces rainures, et donc d'augmenter le débit. Le diam ètre hydraulique de la rainure peut être com pris à titre d'exem ple entre 0,25 et 3 m m .
Le dispositif est en outre très sim ple à fabriquer : deux pièces (le corps central 1 0 et la vis 4) suffisent à la distribution du carburant dans l'ensem ble des cham bres de vaporisation accueillant les têtes 20 de crayons chauffants 2. L'assem blage s'effectue par sim ple vissage de la vis 4 dans le corps 1 0.
Le corps central 1 0 peut en outre être facilement adapté en m ultipliant le nom bre de rainures suivant le nom bre de cham bres de vaporisation à alim enter.
La partie du circuit vapeur du dispositif de vaporisation selon le mode de réalisation préféré va à présent être décrit :
Ce circuit vapeur est destiné à achem iner le carburant vaporisé issue des différentes cham bres 13 de vaporisation précédem ment décrites directem ent dans la ligne d'échappem ent 5 (voir figure 5) .
Dans le mode de réalisation préféré, le circuit vapeur est réalisé par la coopération de la pièce 3 form ant injecteur de carburant vaporisé avec le corps principal 1 0 du dispositif de vaporisation, et plus précisément avec la partie extrémale 12 du corps renfermant les chambres 13 de vaporisation. Comme visible sur les figures 1a, 1b, 4 et 5, l'injecteur 3 de carburant vaporisé comporte une embase annulaire 30 de forme adaptée pour venir se fixer et recouvrir, de façon étanche, la partie extrémale 12. Dans l'exemple représenté, la partie extrémale 12 possède une enveloppe extérieure cylindrique, de sorte que l'embase annulaire 30 présente également une enveloppe externe cylindrique adaptée pour être emmanchée axialement sur la partie extrémale 12. Un joint annulaire 6 vient de préférence renforcer l'étanchéité de l'ensemble. L'embase annulaire 30 est fixée sur la partie extrémale 12 de manière à laisser un certain espace entre la paroi interne 31 de la surface supérieure de l'embase 30 et le haut des chambres de vaporisation de manière à permettre au carburant vaporisé dans les chambres d'envahir l'espace interne de cette embase. L'embase annulaire 30 est surmontée d'un tube 32 d'injection s'étendant le long de l'axe XX', ce tube étant muni d'au moins un orifice 33 radial pour l'échappement du carburant vaporisé dans la ligne d'échappement 5. L'espace interne de l'embase 30 et l'espace interne du tube 32 sont en communication, de sorte que la vapeur de carburant issue des différentes chambres 13 progresse dans l'injecteur 3, via son embase 30 et débouche ensuite dans la ligne d'échappement 5 au moyen du ou des orifices 33. Comme plus particulièrement visible sur la figure 4, la section de passage entre l'embase 30 et le tube 32 présente avantageusement un profil 34 en forme de « trompette » pour limiter les pertes de charges et favoriser la circulation du carburant vaporisé.
Comme visible sur la figure 5, le tube 32 d'injection sert avantageusement également pour la fixation du dispositif 1 de vaporisation de carburant sur la ligne d'échappement 5. Le nombre, la section et la position des orifices 33 sur la paroi du tube 32 dépendent des conditions d'injections visées. On s'attachera néanmoins de préférence à diriger l'orifice 33 de façon à ce que le carburant soit vaporisé à contre-courant par rapport à la direction D d'échappement des gaz dans la ligne d'échappem ent 5 (voir figure 5) .
Un exem ple de procédure de com mande d'un systèm e de post traitem ent com portant le dispositif 1 de vaporisation de carburant, perm ettant une vaporisation très rapide de carburant et une durabilité accrue, notam ment pour les crayons chauffants, va m aintenant être décrit:
La séquence de com m ande com m ence de préférence par la m ise en chauffe préalable des crayons chauffants pendant une durée prédéterm inée, par exem ple de l'ordre de 10 secondes.
Les organes (pom pe, vanne, injecteur...) du systèm e perm ettant de délivrer le carburant liquide sur le canal d'entrée 14 du dispositif sont ensuite com m andés pour permettre une distribution du carburant liquide à un débit nom inal. De la sorte, le circuit de carburant liquide du dispositif de vaporisation se rem plit très rapidem ent, typiquement en 2 ou 3 secondes pour un débit fixé à 0,25 g/s.
La vaporisation de carburant qui s'ensuit se traduit par une montée en richesse dans la ligne d'échappem ent 5. Elle peut être observée par la m ise en place, dans le systèm e, d'une sonde de richesse (non représentée) dans la ligne d'échappement 5. La m esure de cette sonde peut ainsi servir à réguler le débit en carburant liquide du dispositif de vaporisation, en contrôlant la pom pe ou la vanne ou l'injecteur précités, de façon à atteindre la richesse voulue dans la ligne d'échappem ent.
On obtient grâce au dispositif de vaporisation conform e à l'invention des tem ps de réponse très rapides, de l'ordre de 2 ou 3 secondes, et des cycles de vaporisation de durée beaucoup plus courte que les durées généralem ent obtenues avec les dispositifs de l'art antérieur (typiquement entre 30 et 60 secondes) .
I l convient de noter que l'étape de m ise en chauffe préalable des éléments chauffants permet avantageusem ent une vaporisation rapide du résiduel de carburant dans chaque cham bre 1 3 de vaporisation au moment de la m ise en chauffe du crayon chauffant par la lim itation de son volume. Dans le cas de cette invention et pour l'application prévue, le volum e peut être com pris entre 0,6 et 1 ,5 cm 3 et être avantageusem ent de 0,95 cm 3. Ces valeurs seront atteintes en faisant varier le diamètre, la profondeur et/ou la form e de chaque cham bre 1 3.
Cependant, l'opération de m ise en chauffe du carburant liquide résiduel sera de préférence évitée afin de lim iter les effets de cokage du carburant liquide. Pour ce faire, juste avant l'arrêt du dispositif de vaporisation, on peut prévoir que chaque cham bre 1 3 soit vidée de son contenu en maintenant les crayons chauffants en tem pérature pendant quelques secondes alors que l'alim entation en carburant liquide est coupée.
Outre le tem ps de réponse optim isé, le dispositif de vaporisation de carburant selon l'invention permet de délivrer un débit de vapeur de carburant adapté aux applications visées. En effet, le nom bre de cham bres de vaporisation et de crayons chauffants correspondants peut être augm enté. Cette opération est possible grâce au design circulaire du vaporisateur. Dans le cas où l'on souhaite augmenter le nom bre de cham bres de vaporisation, il suffit d'augmenter le diam ètre du dispositif de vaporisation.
En outre, la conception du dispositif de vaporisation permet le montage de crayons chauffants issus du com merce. En effet le dispositif de vaporisation ne nécessite pas de crayons chauffants au design particulier. Avantageusem ent on préférera choisir des crayons chauffants courts afin de réduire l'encom brement du vaporisateur. On veillera toutefois à protéger leur connectique électrique de fortes montées en tem pérature.
D'autres améliorations dans le dispositif de vaporisation de carburant, dans le systèm e com portant un tel dispositif et dans son procédé de com m ande peuvent être encore apportées : Ainsi, pour optimiser le refroidissement des crayons chauffant en période d'utilisation du dispositif, des lumières 7 (voir figures 1 a et 5) sont avantageusement pratiquées dans le corps principal 10, le long des logements 11 recevant les crayons chauffants 2. Ces lumières 7 permettent en effet une circulation d'air autour des crayons chauffants et limitent les points de contacts avec le corps 10. Avantageusement, une fois monté sur la ligne d'échappement, l'air circulant sous le véhicule accentuera le refroidissement du dispositif. Les lumières permettent également d'optimiser le poids et la masse thermique du dispositif.
En outre, tel que dimensionné, le dispositif de vaporisation peut fournir un débit de vapeur de carburant compris entre 0,05 et 0,35 g/s. Ce débit est contrôlé par la régulation du carburant liquide, comme vu plus haut, et par régulation de la température de la chambre de vaporisation 13 au moyen d'un thermocouple ou autre moyen de mesure de température (non représenté) implanté dans un orifice 8 pratiqué dans le corps principal (voir figures 1b et 4), et débouchant au plus près de la partie active des crayons chauffants. La régulation par le thermocouple permet de garantir la température nécessaire à la vaporisation du carburant liquide mais aussi de commander l'alimentation électrique des crayons chauffants et d'injecter la puissance électrique juste nécessaire. La loi de gestion de l'énergie pourra être ainsi définie pour couper l'alimentation électrique des crayons chauffants lorsque la température est supérieure à une température de consigne. Cette régulation présente également l'avantage de préserver l'intégrité du système en interdisant une montée trop forte en température. Cette température peut être comprise entre 270 et 400°C et par exemple être fixée à 320°C. Cette valeur de température de consigne garantit une vaporisation complète du carburant qui se fait aux alentours de 240°C. A la fin de chaque vaporisation, les crayons chauffants peuvent être maintenus en chauffe pendant 1 0 s ou jusqu'à atteindre 320 °C (T consigne) de façon à vider le carburant liquide des cham bres de vaporisation. Cette opération contribue donc à la durabilité du dispositif puisqu'elle évite les phénom ènes de cokage du carburant liquide lors de la rem ise en chauffe des crayons chauffants.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) de vaporisation de carburant destiné à équiper un système de post traitement des émissions polluantes dans une ligne (5) d'échappement d'un véhicule à moteur thermique, le dispositif étant apte à recevoir du carburant liquide et comportant un orifice de sortie (33) débouchant directement dans ladite ligne (5) d'échappement, apte à délivrer du carburant vaporisé, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un corps principal (10) comportant au moins deux logements (11) destinés chacun à recevoir et maintenir un crayon chauffant (2) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal (XX') dudit corps principal (10), un canal (14) d'entrée pour recevoir du carburant liquide, et un canal (15) central s'étendant selon l'axe longitudinal (XX') pour acheminer le carburant liquide reçu par le canal (14) d'entrée du dispositif ;
- deux chambres (13) de vaporisation prolongeant chacune un des deux logements (11), chaque chambre de vaporisation étant apte à recevoir la partie active (20) du crayon chauffant correspondant ;
-des premiers moyens (4, 18, 18') pour répartir simultanément le carburant liquide acheminé par le canal (15) central vers chacune des deux chambres de vaporisation ; et
-des deuxièmes moyens (3, 12) pour acheminer le carburant vaporisé depuis les chambres de vaporisation jusqu'à l'orifice (33) de sortie.
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plus de deux logements (11), chacun étant apte à recevoir et maintenir un crayon chauffant (2) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal (XX') dudit corps principal (10), et un nombre correspondant de chambres (13) de vaporisation prolongeant chacune un logement pour recevoir la partie active (20) d'un crayon chauffant (2) correspondant, et en ce que lesdits premiers moyens sont adaptés pour répartir simultanément le carburant liquide acheminé par le canal (15) central vers chacune des chambres de vaporisation.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les logements et les chambres de vaporisation qui prolongent sont répartis uniformément autour de l'axe longitudinal du corps principal.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens (4, 18, 18') comportent d'une part, une vis (4) présentant une tête (40) de vis et une tige (41) placée selon l'axe longitudinal (XX') du corps principal (10) dans le prolongement du canal central (15), ladite tige (41) étant percée axialement en son centre et radialement par au moins une ouverture (42) en dessous de la tête de vis, et d'autre part, une surface annulaire (18) du corps principal (10) concentrique avec l'axe longitudinal (XX'), ladite surface annulaire (18) comprenant des rainures radiales (18') débouchant chacune sur une des chambres (13) de vaporisation au plus près de la tête du crayon chauffant, la partie inférieure de la tête (40) de vis coopérant avec la surface annulaire (18) et lesdites rainures (18') pour former une cavité étanche en communication avec les chambres (13) de vaporisation, ladite cavité recevant du carburant liquide délivré par le canal (15) central par l'intermédiaire de ladite tige (41), et répartissant ce carburant liquide simultanément dans lesdites chambres (13) de vaporisation.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps principal (10) comporte un fût axial (16) placé dans le prolongement du canal d'entrée, recevant ladite tige (41) de la vis (4), et un logement axial (17) dont le fond est délimité par ladite surface annulaire (18), ledit logement axial (17) recevant la tête (40) de vis.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps principal (10) comporte des lumières (7) le long des logements (11) recevant les crayons chauffants (2), pour permettre une circulation d'air autour desdits crayons chauffants (2).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps principal (10) comporte un orifice (8) débouchant au plus près de la partie active (20) des crayons chauffants pour autoriser le passage d'un moyen de mesure de température.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits deuxièmes moyens (3, 12) comprennent un injecteur (3) de carburant vaporisé, ledit injecteur comportant une embase annulaire (30) fixée axialement à une partie extrémale (12) du corps principal (10) renfermant lesdites chambres de vaporisation (13), et recouvrant de façon étanche ladite partie extrémale (12), et un tube (32) d'injection surmontant axialement ladite embase annulaire (30), ledit tube comportant au moins un orifice radial formant l'orifice (33) de sortie du dispositif.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la section de passage entre l'embase annulaire (30) et le tube (32) d'injection possède un profil en forme de « trompette ».
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le tube (32) d'injection est apte à servir de moyen de fixation du dispositif sur ladite ligne (5) d'échappement.
11. Système de post traitement des émissions polluantes dans une ligne (5) d'échappement d'un véhicule à moteur thermique, comportant un dispositif (1) de vaporisation de carburant apte à recevoir du carburant liquide et à délivrer du carburant vaporisé directement dans ladite ligne (5) d'échappement, caractérisé en ce que le dispositif (1) de vaporisation de carburant est selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un organe du type pompe et vanne ou injecteur apte à être contrôlé pour délivrer du carburant liquide sous pression sur le canal (14) d'entrée du dispositif (1) de vaporisation de carburant.
13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde de richesse dans la ligne (5) d'échappement, la mesure de cette sonde servant au contrôle dudit organe pour réguler le débit en carburant liquide.
14. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de mesure de la température permettant de commander l'alimentation électrique des crayons chauffants (2).
15. Procédé de commande d'un système de post traitement selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte :
-une étape de mise en chauffe préalable des crayons chauffants (2) ; -une étape de commande dudit organe pour permettre une distribution de carburant liquide à un débit nominal.
16. Procédé de commande selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape dans laquelle les crayons chauffants sont maintenus en température alors que l'alimentation en carburant liquide est coupée.
EP09756021A 2008-11-20 2009-10-14 Dispositif de vaporisation de carburant, systeme de post traitement et procede de commande associes Withdrawn EP2347103A1 (fr)

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