FR2912461A3 - Systeme de traitement des gaz d'echappement comprenant un injecteur d'hydrocarbures - Google Patents

Systeme de traitement des gaz d'echappement comprenant un injecteur d'hydrocarbures Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système de traitement des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile comportant :- un filtre à particules 4 disposé dans une conduite d'acheminement 1 des gaz d'échappement,- un catalyseur d'oxydation 3 monté en amont du filtre à particules 4 et comprenant une section d'entrée 5,- un injecteur 2 monté en amont du catalyseur d'oxydation 3 et capable d'introduire des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement 1 des gaz d'échappement, et- un déflecteur 6 disposé entre l'injecteur 2 et le catalyseur d'oxydation 3 et capable de diriger le jet d'hydrocarbures vers les zones périphériques de la section d'entrée 5.

Description

B06/3901FR / GBO PJ6857/VRX Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT
s.a.s. Système de traitement des gaz d'échappement comprenant un injecteur d'hydrocarbures Invention de : BIGOT Benjamin Système de traitement des gaz d'échappement comprenant un injecteur d'hydrocarbures
La présente invention concerne les systèmes de traitement des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. En particulier, la présente invention concerne les systèmes de traitement comprenant un filtre à particules, et la régénération du filtre à particules. Les moteurs à combustion interne, notamment de type diesel, produisent des suies, ou particules, en raison de leur mode de combustion par auto-inflammation du mélange carburant-air dans la chambre de combustion. Le traitement des suies, ou particules, dans les gaz d'échappement d'un moteur, par exemple diesel, est important pour répondre aux normes anti-pollution Une solution possible au traitement des particules est l'utilisation de filtres à particules. En présence d'oxygène et à une température par exemple de l'ordre de 400 C, les particules retenues par le filtre à particules sont brûlées, notamment par oxydation, dans celui-ci et on obtient ainsi une régénération du filtre à particules.
Actuellement, les filtres à particules sont associés à des éléments catalytiques capables d'oxyder des hydrocarbures, notamment les hydrocarbures imbrûlés de combustion. L'oxydation des hydrocarbures est fortement exothermique et permet d'augmenter la température des gaz d'échappement arrivant sur le filtre à particules placé en aval de l'élément catalytique. La température du filtre à particules augmente alors et peut provoquer la combustion des particules filtrées : on obtient la régénération du filtre à particules. Pour les démarrages à froid d'un moteur à combustion, une augmentation rapide de la température de fonctionnement du filtre à particules peut être souhaitée. Cela est possible en introduisant des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement, notamment par une post-injection d'hydrocarbures lors de la vidange de la chambre de combustion. Toutefois, il est alors préférable d'avoir un certain niveau de charge du véhicule, c'est-à- dire d'avoir un véhicule en mouvement, pour améliorer l'acheminement des hydrocarbures de post-injection de la chambre de combustion aux éléments catalytiques de la conduite d'acheminement des gaz.
Une solution permettant de rendre indépendante la régénération du filtre à particules de la charge du moteur, consiste à utiliser un ou plusieurs injecteurs disposés dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement. Ces injecteurs sont destinés à introduire, dans la conduite d'acheminement, les hydrocarbures qui vont permettre, par oxydation sur des éléments catalytiques, d'augmenter la température du filtre à particules. I1 est alors possible de régénérer le filtre à particules lorsque le moteur à combustion est à très faible charge, voire même à l'arrêt, ce qui correspond à une utilisation en milieu urbain d'un véhicule.
Les solutions actuelles tendent à obtenir un mélange air-hydrocarbure homogène et uniforme à l'entrée des dispositifs de traitement des gaz d'échappement. Le brevet BE 857 292 concerne un dispositif pour disperser un gaz dans un liquide.
Les brevets US 3 964 875 et US 3749 130 concernent des dispositifs capables de répartir de manière uniforme les gaz d'échappement à l'entrée d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement. Cependant, les pertes thermiques du filtre à particules ou des éléments catalytiques au niveau des parois latérales restent importantes et entraînent une répartition non-uniforme de la température dans le filtre à particules. Cela peut avoir comme conséquence une régénération incomplète du filtre à particules et une diminution de la durée de vie du filtre à particules.
L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Le but de l'invention est d'améliorer le fonctionnement du filtre à particules, et notamment sa régénération.
L'invention propose ainsi un système de traitement des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile comprenant : - un filtre à particules disposé dans une conduite d'acheminement des gaz d'échappement, - un catalyseur d'oxydation monté en amont du filtre à particules et comprenant une section d'entrée, - un injecteur monté en amont du catalyseur d'oxydation et capable d'introduire des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement, et - un déflecteur disposé entre l'injecteur et le catalyseur d'oxydation, et capable de diriger le jet d'hydrocarbures vers les zones périphériques de la section d'entrée. L'aspersion des hydrocarbures vers les zones périphériques de la section d'entrée permet de compenser les pertes thermiques ayant lieu au niveau des parois latérales du catalyseur et du filtre à particules. I1 est alors possible d'obtenir une meilleure uniformité de la température dans le filtre à particules et donc un meilleur fonctionnement de ce dernier, en particulier une meilleure régénération. Par ailleurs, le déflecteur ne pose pas de problème d'intégration dans le système de traitement des gaz d'échappement et induit une faible perte de charge. Les zones périphériques de la section d'entrée peuvent être les zones situées à proximité du contour de la section d'entrée. On considère que les zones périphériques de la section d'entrée sont les zones de la surface d'entrée situées en amont, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, des régions proches des parois latérales du catalyseur ou du filtre à particules. Ainsi, les zones périphériques de la section d'entrée peuvent être les zones situées à proximité du contour, ou de la circonférence, de la section d'entrée. Préférentiellement, le déflecteur est espacé de la section d'entrée d'une distance comprise entre un quart et un tiers de la largeur de la section d'entrée.
La distance entre le déflecteur et la section d'entrée est choisie en fonction de la taille de la section d'entrée de manière à ce que les hydrocarbures puissent atteindre les zones périphériques de la section d'entrée et ne soient pas éventuellement redirigés par les gaz d'échappement avant d'atteindre la section d'entrée. En particulier, la distance entre le déflecteur et la section d'entrée peut être également choisie en fonction de la forme du déflecteur et en fonction du débit moyen des gaz d'échappement dans la conduite d'acheminement.
La face du déflecteur tournée vers l'injecteur peut être de forme sphérique ou conique. La forme du déflecteur est choisie de manière à permettre une aspersion des zones périphériques de la section d'entrée adaptée au système de traitement des gaz d'échappement.
Le déflecteur peut être monté à une extrémité d'une tige fixée, par l'autre extrémité, au catalyseur d'oxydation. Le déflecteur peut être monté à une des extrémités d'au moins deux lames, les deux lames étant fixées, par l'autre de leurs extrémités, à la conduite d'acheminement des gaz d'échappement.
L'invention se rapporte également à un procédé d'augmentation de la température d'un système de traitement des gaz d'échappement comprenant un filtre à particule disposé dans une conduite d'acheminement des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile. Selon le procédé : - on injecte des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement des gaz d'échappement, et -on oxyde les hydrocarbures injectés en amont du filtre à particules, en amont des zones périphériques du filtre à particules.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 et 2 représentent schématiquement une vue en coupe de deux modes de réalisation d'un système de traitement de gaz d'échappement comprenant un déflecteur, et - les figures 3 à 5 représentent différents modes de réalisation du déflecteur selon l'invention.
La figure 1 représente une vue en coupe d'un premier mode de réalisation du système de traitement des gaz d'échappement selon l'invention. Sur la figure 1 est représentée une conduite d'acheminement 1 des gaz d'échappement. La conduite d'acheminement 1 est placée en aval d'un moteur à combustion interne (non représenté), par exemple de type diesel, d'un véhicule automobile. La conduite d'acheminement 1 comprend, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la conduite d'acheminement 1, un injecteur d'hydrocarbures 2 intégré à la conduite d'acheminement 1, un catalyseur d'oxydation 3 et un filtre à particules 4. Le catalyseur d'oxydation 3 et le filtre à particules 4 peuvent être en contact de manière à minimiser le temps de cheminement des gaz d'échappement entre le catalyseur d'oxydation 3 et le filtre à particules 4. I1 est également possible de remplacer le catalyseur d'oxydation et le filtre à particules, par un filtre à particules comprenant des éléments de catalyse. On considère pour la suite de la description que le filtre à particules 4 est capable d'oxyder les particules retenues à une température de l'ordre de 400 C.
L'injecteur d'hydrocarbures 2 introduit dans la conduite d'acheminement 1 des hydrocarbures qui sont dirigés ou entraînés par les gaz d'échappement vers la section d'entrée 5 du catalyseur d'oxydation 3. Le catalyseur d'oxydation 3 permet de déclencher une réaction d'oxydation des hydrocarbures. La réaction d'oxydation étant fortement exothermique, on obtient d'une part une augmentation de la température du catalyseur d'oxydation 3 et d'autre part une augmentation de la température des gaz d'échappement traversant le catalyseur d'oxydation 3. Ces gaz chauds traversent ensuite le filtre à particules 4 et augmentent ainsi sa température jusqu'à la température de, par exemple, 400 C, à laquelle la réaction d'oxydation des particules retenues par le filtre à particules 4 peut avoir lieu. L'association de l'injecteur d'hydrocarbures 2 et du catalyseur d'oxydation 3 permet donc d'introduire, sans intervention du contrôle moteur, de l'énergie thermique au sein de la conduite d'acheminement 1, en particulier en amont du filtre à particules 4. Ainsi, lors des départs à froid par exemple, il est possible d'augmenter la température du filtre à particules 4 plus rapidement et en limitant les pertes énergétiques grâce à la proximité du catalyseur d'oxydation 3 et du filtre à particules 4. L'augmentation de la température du filtre à particules 4 permet de le régénérer. Une régénération est généralement déclenchée lorsque la différence de pression entre l'amont et l'aval du filtre à particules 4 dépasse un seuil prédéfini. La mesure de pression peut être assurée, par exemple, par deux capteurs (non représentés) de pression absolue : un premier capteur placé en amont du filtre à particules 4 et un deuxième capteur placé en aval du filtre à particules 4. Les deux capteurs de pression permettent de déterminer l'encrassement du filtre à particules 4 dû aux particules retenues, par l'intermédiaire de la résistance du filtre à particules 4 à l'écoulement des gaz d'échappement. Afin d'améliorer l'augmentation de température du filtre à particules 4, un déflecteur 6 est positionné dans la conduite d'acheminement 1, entre l'injecteur d'hydrocarbures 2 et le catalyseur d'oxydation 3. Le déflecteur 6 joue le rôle de cible de pulvérisation et permet de disperser le jet d'hydrocarbures introduits par l'injecteur 2 sur la section d'entrée 5 du catalyseur d'oxydation 3. En particulier, le déflecteur 6 a pour but d'augmenter la quantité d'hydrocarbures sur les parties périphériques de la section d'entrée 5 du catalyseur d'oxydation 3. En effet, les pertes thermiques du filtre à particules 4 sont plus importantes au niveau de ses parois latérales, au niveau du contact avec la conduite d'acheminement 1. Même lorsqu'un carter doubles tôles est utilisé pour réduire les pertes thermiques par isolation avec une couche d'air, la température du filtre à particules 4 reste inférieure au niveau des parois latérales qu'au centre du filtre à particules 4. Le déflecteur 6 a une forme spécifique qui permet de diriger les hydrocarbures introduits dans la conduite d'acheminement 1, vers les zones périphériques de la section d'entrée 5 du catalyseur d'oxydation 3, c'est-à-dire en amont des zones où les pertes thermiques du filtre à particules 4 sont les plus importantes. On redistribue donc les hydrocarbures projetés sur la section d'entrée 5 du catalyseur d'oxydation 3, sous la forme, par exemple, d'une couronne. En particulier, la densité surfacique d'hydrocarbures sur la section d'entrée 5 est décroissante vers le centre de la section d'entrée 5. Autrement dit, on obtient, sur la section d'entrée 5, une densité surfacique d'hydrocarbures présentant, à proximité du centre de la section d'entrée 5, un gradient négatif lorsqu'on se déplace vers le centre de la section d'entrée 5. Les zones périphériques de la section d'entrée 5 correspondent aux régions situées à proximité du contour, ou circonférence, de la section d'entrée 5. Autrement dit, la distance entre les zones périphériques et le contour de la section d'entrée 5 peut être plus petite que la distance entre les zones périphériques et le centre de la section d'entrée 5. La répartition des hydrocarbures sur la section d'entrée 5 du catalyseur d'oxydation 3 permet d'élever d'avantage la température du catalyseur d'oxydation 3, et dans un second temps du filtre à particules 4, au niveau de leurs parois latérales qu'au niveau du centre. On peut ainsi compenser les pertes thermiques du filtre à particules 4, qui sont plus importantes au niveau des parois latérales, et obtenir une distribution de températures plus uniforme dans le filtre à particules 4. Cela permet notamment d'améliorer la qualité de régénération du filtre à particules 4. Le déflecteur 6 peut être placé à une distance comprise entre un quart et un tiers de la largeur de la section d'entrée 5. Cette distance dépend notamment de la forme du déflecteur 6 et de l'injecteur d'hydrocarbures 2. Toutefois, une telle distance permet d'une part de rediriger le jet d'hydrocarbures vers les zones périphériques de la section d'entrée 5 et d'autre part de limiter l'entraînement des hydrocarbures dans les gaz d'échappement, ce qui pourrait diminuer la quantité d'hydrocarbures atteignant les zones périphériques de la section d'entrée 5. Le déflecteur 6 peut être fixé aux parois de la conduite d'acheminement 1, par exemple par un support en forme de lames. On peut ainsi utiliser deux lames fixées, à l'une de leurs extrémités, à la paroi de la conduite d'acheminement 1 par soudure ou collage, et par l'autre de leurs extrémités, au déflecteur 6. Pour des raisons de fréquence propre du support qui peut être voisine des fréquences de vibration du moteur ou d'un autre organe du véhicule automobile, le support peut comprendre plus de deux lames, par exemple trois, orientées dans une configuration en étoile, afin de conférer à l'ensemble du support une rigidité plus importante. Sur la figure 2 est représenté un deuxième mode de réalisation dans lequel les éléments communs au premier mode de réalisation portent les mêmes références. Le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 2 se distingue du premier mode de réalisation par le support du déflecteur 6. Dans le deuxième mode de réalisation, le support n'est pas fixé aux parois de la conduite d'acheminement 1 mais est fixé au catalyseur d'oxydation 3. Ainsi, le support 7 peut se présenter sous la forme d'une tige de section quelconque, cylindrique ou en croix. Le support 7 est fixé à l'une de ses extrémités, par encastrement par exemple, au catalyseur d'oxydation 3, et à l'autre de ses extrémités au déflecteur 6. Pour des raisons de tenue mécanique et vibratoire, le support 7 peut posséder une embase plus large qu'au niveau du déflecteur (non représenté).
Les figures 3 à 5 représentent des déflecteurs 6 avec différentes formes. Sur la figure 3, la face 8 du déflecteur 6 tournée vers l'injecteur présente une forme sphérique, tandis que la face 9 tournée vers le catalyseur d'oxydation 3 présente une forme en cône de révolution. Sur la figure 4, la face 10 du déflecteur 6 tournée vers l'injecteur et la face 11 tournée vers le catalyseur d'oxydation 3 présentent toutes les deux une forme en cône de révolution. Sur la figure 5, la face 12 du déflecteur 6 tournée vers l'injecteur présente une forme concave de révolution, tandis que la face 13 tournée vers le catalyseur d'oxydation 3 présente une forme en cône de révolution.
Les différentes formes de déflecteur 6 présentées sur les figures 3 à 5 permettent de redistribuer les hydrocarbures impactant la face tournée vers l'injecteur, et de limiter la perte de charge supplémentaire dans la conduite d'acheminement 1 grâce à une face tournée vers le catalyseur d'oxydation 3 profilée. 20

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Système de traitement des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile comprenant : - un filtre à particules (4) disposé dans une conduite d'acheminement (1) des gaz d'échappement, - un catalyseur d'oxydation (3) monté en amont du filtre à particules (4) et comprenant une section d'entrée (5), - un injecteur (2) monté en amont du catalyseur d'oxydation (3) et capable d'introduire des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement (1) des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend un déflecteur (6) disposé entre l'injecteur (2) et le catalyseur d'oxydation (3), et capable de diriger le jet d'hydrocarbures vers les zones périphériques de la section d'entrée ( 5).
2. Système selon la revendication 1 dans lequel les zones périphériques de la section d'entrée (5) sont les zones situées à proximité du contour de la section d'entrée (5).
3. Système selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le déflecteur (6) est espacé de la section d'entrée (5) d'une distance comprise entre un quart et un tiers de la largeur de la section d'entrée (5)
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la face du déflecteur tournée vers l'injecteur (2) est de forme sphérique.
5. Système selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la face du déflecteur tournée vers l'injecteur (2) est de forme conique.
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le déflecteur (6) est monté à une extrémité d'une tige fixée, par l'autre 30 extrémité, au catalyseur d'oxydation (3).
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le déflecteur (6) est monté à une des extrémités d'au moins deux lames,les deux lames étant fixées, par l'autre de leurs extrémités, à la conduite d'acheminement (1) des gaz d'échappement.
8. Procédé d'augmentation de la température d'un système de traitement des gaz d'échappement comprenant un filtre à particule (4) disposé dans une conduite d'acheminement (1) des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, notamment de type diesel, d'un véhicule automobile, dans lequel : - on injecte des hydrocarbures dans la conduite d'acheminement (1) des gaz d'échappement, et - on oxyde les hydrocarbures injectés en amont du filtre à particules (4), caractérisé en ce qu'on oxyde les hydrocarbures injectés en amont des zones périphériques du filtre à particules (4).15
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