FR2966513A1

FR2966513A1 - Device for introducing fluid i.e. urea solution, into exhaust line of combustion engine in motor vehicle, has gas flow deflection unit arranged in exhaust conduit part and generating swirling gas flow around central axis of injection cone

Info

Publication number: FR2966513A1
Application number: FR1058554A
Authority: FR
Inventors: Gautier Dekerle
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-04-27
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: FR2966513B1

Abstract

The device has an exhaust conduit part (1) equipped with a fluid injector (2) and a straight cylindrical section that is arranged downstream the injector. A nose (21) of the injector is arranged coaxially with respect to the cylindrical section so as to inject fluid along an injection cone whose central axis is collinear with a central axis of the cylindrical section. An exhaust gas flow deflection unit (4) arranged in the exhaust conduit part generates a swirling gas flow (C) around the central axis of the injection cone.

Description

DISPOSITIF D'INTRODUCTION D'UN FLUIDE DANS UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT, ENSEMBLE ET VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF DEVICE FOR INTRODUCING A FLUID IN AN EXHAUST LINE, ASSEMBLY AND MOTOR VEHICLE COMPRISING SUCH A DEVICE

[0001] L'invention porte sur le domaine des systèmes d'introduction d'un fluide dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion. Elle porte en particulier sur le domaine de l'introduction d'une solution d'urée par un injecteur, dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion. [0002] Les émissions de gaz polluants par un moteur à combustion, notamment dans une application à un véhicule automobile, sont réglementées par des normes de plus en plus sévères. Ces normes portent notamment sur le niveau d'émission d'oxydes d'azote (ou NOx). [0003] Afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote, on connaît un dispositif de réduction catalytique, appelé dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azotes, qui consiste à les faire réagir sur un catalyseur spécifique installé dans la ligne d'échappement du moteur, à l'aide d'un agent réducteur introduit dans la ligne en amont du catalyseur. [0004] On emploie indifféremment l'expression « réduction catalytique sélective » ou l'acronyme SCR (de l'anglais « selective catalytic reduction »). [0005] On emploie couramment une solution d'urée en tant que précurseur d'ammoniac, qui agit en tant qu'agent réducteur pour la SCR. La solution d'urée est introduite à l'aide d'un injecteur dans la ligne d'échappement du moteur équipé, en amont d'un catalyseur SCR. L'urée présente néanmoins l'inconvénient de cristalliser à des conditions de température (autour de 200°C) et de pression présentes dans la ligne d'échappement. The invention relates to the field of systems for introducing a fluid into an exhaust duct of a combustion engine. It relates in particular to the field of the introduction of a solution of urea by an injector, in an exhaust line of a combustion engine. [0002] Emissions of polluting gases by a combustion engine, especially in an application to a motor vehicle, are regulated by increasingly stringent standards. These standards include the emission level of nitrogen oxides (or NOx). In order to reduce the emissions of nitrogen oxides, a catalytic reduction device known as a device for selective catalytic reduction of nitrogen oxides is known, which consists of reacting them with a specific catalyst installed in the line of nitrogen oxides. exhausting the engine, using a reducing agent introduced into the line upstream of the catalyst. The term "selective catalytic reduction" or the acronym SCR ("selective catalytic reduction") is used interchangeably. [0005] Urea solution is commonly used as an ammonia precursor, which acts as a reducing agent for SCR. The urea solution is introduced by means of an injector into the exhaust line of the engine equipped, upstream of an SCR catalyst. Urea nevertheless has the disadvantage of crystallizing at temperature (around 200 ° C) and pressure conditions present in the exhaust line.

Ainsi, des cristaux d'urée risque d'obstruer l'injecteur de solution d'urée, ou à tout le moins d'en perturber le fonctionnement, en limitant son débit ou en modifiant la forme de son cône d'injection (forme du spray en sortie d'injecteur). [0006] Un tel phénomène doit en conséquence être évité. [0007] Il est connu divers moyens pour limiter ce phénomène. [0008] Le premier consiste à essayer de conserver la buse de l'injecteur suffisamment froide pour demeurer sous la température de cristallisation de l'urée, soit par des moyens de refroidissement liquide ou par conduction du nez de l'injecteur, soit en maintenant la buse éloignée (en retrait) du flux gazeux chaud s'écoulant dans la ligne d'échappement. Thus, urea crystals may clog the urea solution injector, or at least disrupt its operation, limiting its flow or changing the shape of its injection cone (form of spray at the injector outlet). Such a phenomenon must therefore be avoided. [0007] Various means are known for limiting this phenomenon. The first is to try to keep the nozzle of the injector sufficiently cold to remain below the urea crystallization temperature, either by liquid cooling means or by conduction of the nose of the injector, or by maintaining the remote nozzle (recessed) of the hot gas stream flowing in the exhaust line.

Cependant, des moyens de refroidissement sont complexes et coûteux à mettre en ceuvre, tandis que le fait d'éloigner l'injecteur nécessite un grand volume d'implantation et s'avère peu efficace, car on ne maitrise pas précisément la température et les phénomènes aérodynamiques dans la zone d'implantation de l'injecteur. [0009] Un autre moyen de limiter l'encrassement de la buse d'injecteur consiste à la placer au point le plus chaud possible, afin de la soumettre à une température de plus de 300°C, et ainsi vaporiser les cristaux qui auraient pu se former. Cette solution est cependant très contraignante pour l'injecteur, qui subit des contraintes thermiques importantes, et également en termes d'implantation, car la position de l'injecteur est contrainte par la recherche d'un point suffisamment chaud, alors même qu'une injection dans le même axe que celui d'implantation du catalyseur SCR est à privilégier. [0010] D'autres moyens forts complexes à mettre en ceuvre peuvent également être envisagés, comme des systèmes spécifiques de nettoyage de la buse. [0011] La demanderesse a déposé le 21 septembre 2010 la demande de brevet français enregistrée sous le numéro national 10.57534, qui divulgue un dispositif dans lequel l'encrassement de la buse est combattu en générant un courant de balayage du nez d'injecteur. [0012] On ne connaît donc pas dans l'état de la technique de moyen simple et pleinement satisfaisant pour lutter contre les causes mêmes du phénomène d'encrassement de l'injecteur par cristallisation du fluide introduit, notamment dans le cadre d'un système SCR. L'invention vise à l'obtention d'un tel moyen. [0013] Plus précisément l'invention porte sur un dispositif d'introduction d'un fluide dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, comportant une portion de conduit d'échappement dotée d'un injecteur de fluide, d'un tronçon sensiblement cylindrique droit en aval de l'injecteur ; l'injecteur de fluide présentant un nez d'injecteur disposé coaxialement au tronçon droit de la portion de conduit, de sorte à injecter le fluide selon un cône d'axe central sensiblement colinéaire à l'axe central du tronçon droit, et comportant des moyens de déviation d'un flux gazeux disposés dans la portion de conduit et conformés pour générer un courant gazeux tourbillonnaire autour de l'axe central du cône d'injection. [0014] On oriente ainsi une part d'un flux de gaz d'échappement circulant dans la portion de conduit, générant un courant gazeux tourbillonnaire, (que l'on définit couramment par l'anglicisme « swirl ») sensiblement dans l'axe d'injection du fluide (axe central du cône d'injection de l'injecteur). Ce courant tourbillonnaire a pour effet de faciliter l'éjection du fluide injecté (typiquement de la solution d'urée) de la zone à proximité du nez d'injecteur (point d'introduction du fluide), et par conséquent évite un éventuel retour de fluide sur le nez. Cela évite le risque d'encrassement du nez par cristallisation d'une part du fluide introduit dans la ligne d'échappement. [0015] Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de déviation comportent une déformation localisée d'une paroi de la portion de conduit. De préférence, la déformation comporte une cavité en forme de portion d'hélicoïde. [0016] La déformation peut être obtenue par des procédés bien connus, et notamment par emboutissage du conduit ou soudage d'une forme rapportée au conduit d'échappement. De préférence, la déformation est créée par emboutissage de la portion de conduit d'échappement, généralement constituée de deux demi-coquilles. L'avantage économique de ce mode de réalisation réside dans le fait que le courant tourbillonnaire est généré directement par des formes d'emboutissage et ne nécessite pas d'intégration de pièces complémentaires. En créant une forme de type hélicoïde afin de canaliser une partie des gaz échappements on oriente un courant gazeux tourbillonnaire dans l'axe d'injection d'urée, ce qui force l'évacuation du fluide introduit de la zone d'introduction de fluide. [0017] Selon un autre mode de réalisation, les moyens de déviation comportent un déflecteur rapporté dans la portion de conduit. [0018] Dans l'application préférentielle de l'invention, l'injecteur est un injecteur de solution d'urée. [0019] De préférence, un mélangeur est disposé dans le tronçon droit de la portion de conduit. Cela permet l'obtention rapide d'un mélange homogène entre les gaz d'échappement circulant dans le conduit et le fluide injecté. [0020] L'invention porte également sur un ensemble comportant un dispositif conforme à l'invention, et un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. L'invention porte enfin sur un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un tel ensemble. C'est l'application préférentielle de l'invention, notamment dans le cadre d'un dispositif de dépollution des gaz d'échappement du véhicule, dispositif mettant en jeu un système de catalyse SCR. [0021] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence à la figure unique représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0022] La figure 1 présente schématiquement en 3 dimensions et en transparence un dispositif conforme à la variante préférentielle de réalisation de l'invention. [0023] Dans l'invention, une portion de conduit d'échappement 1 est dotée d'un injecteur 2 de fluide, en l'occurrence un injecteur d'une solution d'urée pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote sur un catalyseur dédié. [0024] L'injecteur 2 est pourvu d'une extrémité par laquelle est réalisée l'injection : on parle du nez 21 de l'injecteur. [0025] Le nez 21 de l'injecteur 2 est positionné en retrait de la portion de conduit 1 dans un volume 3 communicant avec celle-ci. Ce volume 3 permet à l'injecteur de ne pas être directement implanté dans l'environnement très contraint thermiquement de l'intérieur de portion de conduit 1, dans laquelle circule un flux de gaz d'échappement d'un moteur thermique. [0026] Le flux de gaz d'échappement circule dans la portion de conduit d'une manière fortement canalisée par le conduit d'échappement, qui est généralement obtenu par emboutissage ou par soudage de tubes. Le but de l'invention est rempli par un dispositif conforme à cette dernière, lorsqu'un flux gazeux circule dans la portion de conduit selon un sens d'écoulement donné. L'expression sens d'écoulement donné désigne bien évidemment le fait que le flux gazeux entre dans la portion de conduit 1 par une extrémité d'entrée 11 pour ressortir par une extrémité de sortie 12 de ladite portion de conduit, ce qui définit de fait le sens d'écoulement du flux dans la portion de conduit 1 et les notions d«< amont » et d«< aval » se comprenant selon le sens du flux. Il s'agit donc de la direction d'écoulement principale du flux gazeux dans la portion de conduit, indépendamment des turbulences ou reflux locaux dans ladite portion de conduit 1. Dans les dispositifs communément employés, l'écoulement aéraulique dans cette zone est peu maîtrisé, de sorte qu'une partie du fluide introduit par l'injecteur peut refluer vers ce dernier, stagner dans cette zone, et encrasser le nez de l'injecteur, notamment par cristallisation lorsque le fluide en question est une solution d'urée. [0027] La portion de conduit 1 présente un tronçon droit 13, en aval des moyens d'injection. C'est en partie dans ce tronçon droit que le fluide introduit se mélange homogènement aux gaz d'échappement. Le tronçon droit 13 est sensiblement coaxial au cône d'injection de l'injecteur 2, ou, plus, précisément, l'axe central du tronçon droit 13, pour le cas ou ce dernier est cylindrique de révolution, est sensiblement confondu avec l'axe central du cône formé par le fluide lors de son injection par l'injecteur 2. [0028] Les cristaux formés sur le nez 21 d'injecteur perturbent l'injection de la solution d'urée. La quantité injectée est alors peu précise, et le cône d'injection peut être déformé. La quantité d'oxydes d'azote pouvant être traités par la quantité d'agent réducteur introduit dans le conduit d'échappement par l'injecteur 2 est alors mal connue. Le système de dépollution peut alors être insuffisamment efficace, ou au contraire, relâcher dans l'atmosphère de l'ammoniac (en cas de surcompensation du phénomène de cristallisation par augmentation de l'injection d'urée). [0029] Dans l'invention, on prévoit des moyens de déviation 4 d'un flux gazeux, en l'occurrence du flux des gaz d'échappement, disposés dans la portion de conduit 1 et conformés pour conformés pour générer un courant C gazeux sensiblement tourbillonnaire autour de l'axe central du cône d'injection. [0030] Le courant C tourbillonnaire, conjugué à la progression des gaz d'échappement entre l'entrée 11 et la sortie 12 de la portion de conduit, accélère les gaz dans la zone d'injection, favorisant leur évacuation de cette zone. Par ailleurs, la bonne maîtrise de l'aéraulique ainsi obtenue dans cette zone permet d'éviter tout reflux de fluide vers le nez 21 de l'injecteur. [0031] Les moyens de déviation 4 permettant d'engendrer un courant gazeux tourbillonnaire selon l'axe du tronçon droit 13 comportent préférentiellement une cavité en forme de portion d'hélicoïde. La part du flux des gaz d'échappement s'engageant dans cette portion d'hélicoïde sont déviés et adoptent un mouvement tourbillonnaire en suivant les parois de la portion d'hélicoïde. La portion du flux déviée selon un mouvement tourbillonnaire influe également sur l'ensemble des gaz présents à proximité dans le conduit d'échappement pour leur faire également adopter un mouvement tourbillonnaire. [0032] L'intégration de la portion d'hélicoïde se fait préférentiellement directement au cours du procédé d'emboutissage de demi-coquilles formant la portion de tube 1. Ainsi, elle n'engendre aucune contre-pression supplémentaire dans le conduit d'échappement. Dans un tel mode de réalisation, la définition des paramètres que sont la largeur, la profondeur et le pas de la portion d'hélicoïde permet de jouer sur l'importance de la partie de flux de gaz d'échappement qui sera canalisée, et sur la dynamique du mouvement tourbillonnaire ainsi généré. [0033] La portion d'hélicoïde peut être positionnée en divers endroit de la portion de tube, à proximité du point d'injection de fluide : sur les flancs de la portion de tube, en partie basse de cette portion de tube, etc. La portion d'hélicoïde peut être formée sur l'extrados du conduit (en creux, vu de l'intérieur du conduit), ou sur l'intrados du conduit (en relief, à l'intérieur du conduit).L'axe central de la portion d'hélicoïde est colinéaire avec l'axe du cône d'injection de l'injecteur 2. [0034] Un mélangeur (non représenté) peut être avantageusement disposé dans le tronçon droit afin d'assurer un mélange homogène entre les gaz d'échappement et le fluide introduit. Les mélangeurs, parfois également appelé « mixeurs », sont des dispositifs bien connus pouvant prendre diverses formes et permettant d'augmenter localement les turbulences d'un écoulement gazeux, afin d'obtenir rapidement et sur une faible longueur de conduit d'échappement un mélange homogène. However, cooling means are complex and expensive to implement, while the fact of moving the injector requires a large volume of implantation and is not very effective because it does not control precisely the temperature and the phenomena aerodynamic in the area of implantation of the injector. Another way to limit the fouling of the injector nozzle is to place it at the hottest point possible, to submit it to a temperature of more than 300 ° C, and thus vaporize the crystals that could have form. This solution is however very restrictive for the injector, which undergoes significant thermal stresses, and also in terms of implantation, because the position of the injector is constrained by the search for a sufficiently hot point, even though injection in the same axis as that of implantation of the SCR catalyst is preferred. Other complex means to implement may also be considered, such as specific cleaning systems of the nozzle. The applicant filed on September 21, 2010 the French patent application registered under the national number 10.57534, which discloses a device in which the fouling of the nozzle is fought by generating a scavenging current of the injector nose. Therefore, it is not known in the state of the art simple and fully satisfactory means to fight against the very causes of the phenomenon of fouling of the injector by crystallization of the fluid introduced, especially in the context of a system. SCR. The invention aims at obtaining such a means. More specifically, the invention relates to a device for introducing a fluid into an exhaust line of a combustion engine, comprising a portion of exhaust duct provided with a fluid injector, a substantially cylindrical straight section downstream of the injector; the fluid injector having an injector nose disposed coaxially with the straight section of the conduit portion, so as to inject the fluid along a cone of central axis substantially co-linear with the central axis of the straight section, and comprising means deflecting a gas flow disposed in the conduit portion and shaped to generate a swirling gas stream about the central axis of the injection cone. Thus directs a part of a flow of exhaust gas flowing in the duct portion, generating a swirling gaseous current (which is commonly defined by the Anglicism "swirl") substantially in the axis fluid injection (central axis of the injection cone of the injector). This swirling current has the effect of facilitating the ejection of the injected fluid (typically urea solution) from the zone near the injector nozzle (point of introduction of the fluid), and consequently avoids a possible return of fluid on the nose. This avoids the risk of fouling of the nose by crystallization on the one hand of the fluid introduced into the exhaust line. According to the preferred embodiment of the invention, the deflection means comprise a localized deformation of a wall of the conduit portion. Preferably, the deformation comprises a cavity in the form of helical portion. The deformation can be obtained by well known methods, and in particular by stamping the duct or welding a form attached to the exhaust duct. Preferably, the deformation is created by stamping the exhaust pipe portion, generally consisting of two half-shells. The economic advantage of this embodiment lies in the fact that the swirling current is generated directly by stamping forms and does not require integration of complementary parts. By creating a helicoid-type shape in order to channel part of the exhaust gases, a swirling gaseous stream is directed in the axis of urea injection, which forces the evacuation of the introduced fluid from the zone of introduction of fluid. According to another embodiment, the deflection means comprise a deflector reported in the duct portion. In the preferred application of the invention, the injector is a urea solution injector. Preferably, a mixer is disposed in the straight section of the duct portion. This allows the rapid obtaining of a homogeneous mixture between the exhaust gas flowing in the conduit and the injected fluid. The invention also relates to an assembly comprising a device according to the invention, and a catalyst for selective catalytic reduction of nitrogen oxides. Finally, the invention relates to a motor vehicle characterized in that it comprises such an assembly. This is the preferred application of the invention, particularly in the context of a vehicle exhaust gas depollution device, a device involving an SCR catalyst system. The invention is described in more detail below and with reference to the single figure schematically showing the system in its preferred embodiment. Figure 1 shows schematically in three dimensions and in transparency a device according to the preferred embodiment of the invention. In the invention, a portion of exhaust duct 1 is provided with a fluid injector 2, in this case an injector of a urea solution for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides on a dedicated catalyst. The injector 2 is provided with an end by which is performed the injection: we speak of the nose 21 of the injector. The nose 21 of the injector 2 is positioned behind the portion of conduit 1 in a volume 3 communicating therewith. This volume 3 allows the injector not to be directly implanted in the highly thermally constrained environment of the duct portion inside 1, in which circulates a flow of exhaust gas from a heat engine. The flow of exhaust gas flows in the duct portion in a highly channelized manner by the exhaust duct, which is generally obtained by stamping or welding tubes. The object of the invention is filled by a device according to the latter, when a gas stream flows in the conduit portion in a given direction of flow. The expression flow direction given refers obviously to the fact that the gas flow enters the duct portion 1 through an inlet end 11 to emerge through an outlet end 12 of said duct portion, which in fact defines the flow direction of the flow in the conduit portion 1 and the notions of "upstream" and "downstream" being understood according to the flow direction. It is therefore the main flow direction of the gas flow in the duct portion, regardless of local turbulence or reflux in said portion of duct 1. In commonly used devices, the aeraulic flow in this area is poorly controlled. , so that a portion of the fluid introduced by the injector may flow back to the latter, stagnate in this area, and foul the nose of the injector, in particular by crystallization when the fluid in question is a urea solution. The portion of duct 1 has a straight section 13, downstream of the injection means. It is partly in this straight section that the introduced fluid mixes homogeneously with the exhaust gas. The straight section 13 is substantially coaxial with the injection cone of the injector 2, or, more precisely, the central axis of the straight section 13, for the case where the latter is cylindrical of revolution, is substantially coincident with the central axis of the cone formed by the fluid during its injection by the injector 2. The crystals formed on the nozzle nose 21 disrupt the injection of the urea solution. The injected quantity is then not precise, and the injection cone can be deformed. The amount of nitrogen oxides that can be treated by the amount of reducing agent introduced into the exhaust duct by the injector 2 is then poorly known. The depollution system may then be insufficiently effective, or on the contrary, release into the atmosphere of ammonia (in case of overcompensation of the crystallization phenomenon by increasing the urea injection). In the invention, there is provided deflection means 4 of a gas flow, in this case the flow of exhaust gas, arranged in the duct portion 1 and shaped to conform to generate a C gas stream substantially swirling around the central axis of the injection cone. The swirling current C, combined with the progression of the exhaust gas between the inlet 11 and the outlet 12 of the duct portion, accelerates the gas in the injection zone, promoting their evacuation of this zone. Moreover, the good control of the aeraulic thus obtained in this zone makes it possible to avoid any backflow of fluid towards the nose 21 of the injector. The deflection means 4 for generating a swirling gas stream along the axis of the straight section 13 preferably comprise a helicoid-shaped cavity portion. The part of the flow of the exhaust gases engaging in this portion of helicoid are deflected and adopt a swirling motion following the walls of the helical portion. The portion of the flow deflected in a swirling motion also affects all nearby gases in the exhaust duct to also make them adopt a swirling motion. The integration of the helical portion is preferentially directly during the process of stamping half-shells forming the tube portion 1. Thus, it does not generate any additional back pressure in the conduit of exhaust. In such an embodiment, the definition of the parameters such as the width, the depth and the pitch of the helical portion make it possible to modify the importance of the part of the exhaust stream that will be channeled, and the dynamics of the swirling motion thus generated. The helical portion may be positioned at various locations of the tube portion, near the fluid injection point: on the flanks of the tube portion, at the bottom of the tube portion, and so on. The helicoid portion may be formed on the extrados of the duct (hollow, seen from inside the duct), or on the intrados of the duct (in relief, inside the duct). The central axis of the helicoid portion is collinear with the axis of the injection cone of the injector 2. [0034] A mixer (not shown) may advantageously be arranged in the straight section in order to ensure a homogeneous mixture between the gases. exhaust and the fluid introduced. Mixers, sometimes also called "mixers", are well-known devices that can take various forms and make it possible to locally increase the turbulence of a gas flow, in order to obtain quickly and over a short length of exhaust pipe a mixture homogeneous.

Claims

1. A device for introducing a fluid into an exhaust line of a combustion engine, comprising an exhaust duct portion (1) provided with: - an injector (2) of fluid; - A substantially straight cylindrical section (13) downstream of the injector; the fluid injector (2) having an injector nose (21) arranged coaxially with the straight section (13) of the conduit portion (1), so as to inject the fluid along a cone of central axis substantially co-linear with the central axis of the straight section (13), characterized by deflection means (4) of a gas flow arranged in the duct portion (1) and shaped to generate a swirling gaseous flow (C) around the axis central of the injection cone.

2. Device according to claim 1, characterized in that the deflection means (4) comprise a localized deformation of a wall of the duct portion (1).

3. Device according to claim 2, characterized in that the deformation comprises a cavity in the form of helical portion.

4. Device according to claim 1, characterized in that the deflection means (4) comprise a deflector reported in the conduit portion (1).

5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the injector (2) is a urea solution injector.

6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that a mixer is disposed in the straight section (13) of the duct portion (1).

7. An assembly comprising a device according to any one of the preceding claims and a selective catalytic reduction catalyst of nitrogen oxides.

8. Motor vehicle characterized in that it comprises an assembly according to claim 7.