FR3117161A1 - Dispositif de post traitement de gaz d’échappement - Google Patents

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heating
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Sonia Capirchia
Marion Gonzalez
Vincent LEBOURGEOIS
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Faurecia Systemes dEchappement SAS
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Abstract

Dispositif de post traitement de gaz d’échappement L’invention concerne un dispositif (1) de post traitement du gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, comprenant, un conduit (2) définissant un passage (8) de circulation des gaz d’échappement et, de l’amont à l’aval du conduit (2), un injecteur (3) agencé pour injecter un agent réducteur dans le passage (8) de circulation et un organe de purification (6), où l’injecteur (3) est chauffant, de manière à chauffer l’agent réducteur au préalable de l’injection et le dispositif (1) comprend encore un élément chauffant (4) disposé entre l’injecteur (3) et l’organe de purification (6). Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Dispositif de post traitement de gaz d’échappement
L’invention concerne un dispositif de post traitement pour gaz d’échappement. Un tel dispositif, est typiquement disposé dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne. Il a pour fonction de réduire les oxydes d’azote NOx. Pour cela un tel dispositif mélange un agent réducteur, classiquement de l’ammoniac ou une solution aqueuse d’urée : AUS 32, DEF, avec les gaz d’échappement, et traite le mélange au moyen d’un organe de purification, tel un catalyseur ou un substrat de réduction catalytique sélectif (en anglais : « selective catalytic reduction » ou SCR).
Il est connu d’utiliser un organe de purification pour réduire les oxydes d’azote présents dans les gaz d’échappement.
Pour que l’organe de purification puisse opérer une réaction chimique de réduction des oxydes d’azote, il convient de lui fournir les gaz d’échappement mélangé avec un réducteur.
Pour cela, il est utilisé un injecteur d’agent réducteur, apte à injecter l’agent réducteur dans un conduit où circule les gaz d’échappement. Il est encore utilisé un mélangeur qui homogénéise les gaz d’échappement avec l’agent réducteur. Ceci est réalisé en amont du catalyseur.
Pour que l’organe de purification réduise efficacement les oxydes d’azote, avec un bon rendement de conversion, il est nécessaire qu’il soit à une température élevée, nommée température d’activité, d’au moins 220°C.
En régime établi, cette température d’activité de l’organe de purification est entretenue par la chaleur apportée par les gaz d’échappement chauds issus du moteur et par la chaleur produite par la réaction chimique de réduction.
Dans certaines phases transitoires de fonctionnement, par exemple au démarrage, l’organe de purification est considéré comme froid, c’est-à-dire à une température inférieure à celle requise pour établir la réaction chimique de réduction des oxydes d’azote. Aussi, il est connu d’utiliser un élément chauffant apte à chauffer les gaz d’échappement et l’organe de purification. Un tel élément chauffant est actif dans une telle phase transitoire vers le régime établi, afin que cette phase transitoire soit la plus courte possible et que l’organe de purification atteigne rapidement sa température d’activité.
Il est toujours recherché des améliorations permettant de réduire encore la durée de la phase transitoire de chauffage et d’atteinte de la température d’activité de l’organe de purification.
Aussi, l’invention a pour objet un dispositif de post traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, comprenant, un conduit définissant un passage de circulation des gaz d’échappement et, de l’amont à l’aval du conduit, un injecteur agencé pour injecter un agent réducteur dans le passage de circulation et un organe de purification, où l’injecteur est chauffant, de manière à chauffer l’agent réducteur au préalable de l’injection et le dispositif comprend encore un élément chauffant disposé entre l’injecteur et l’organe de purification.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- l’élément chauffant est du type comprenant une grille ou préférentiellement une mousse, disposée en travers du conduit,
- la grille ou mousse est métallique et chauffée électriquement par effet joule au moyen d’au moins une électrode,
- l’injecteur est distant de l’élément chauffant de manière à maximiser la surface de l’élément chauffant recevant de l’agent réducteur,
- le dispositif comprend encore un mélangeur, disposé entre l’injecteur et l’organe de purification et de préférence entre l’élément chauffant et l’organe de purification,
- l’injecteur est thermiquement activé seul lorsque la température des gaz d’’échappement est comprise entre 100° et 280°C, de préférence entre 130° et 220°C,
- l’élément chauffant est thermiquement activé seul lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 0° et 300°C et de préférence entre 0° et 220°C,
- l’injecteur et l’élément chauffant sont thermiquement activés ensemble lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 100° et 250° et de préférence entre 130° et 220°C,
- l’injecteur est chauffé électriquement selon une technologie d’ébullition éclair,
- le dispositif comprend encore un capteur de température des gaz d’échappement, disposé à l’entrée du dispositif, en amont de l’injecteur.
Dans un deuxième aspect de l’invention, une ligne d’échappement comprenant un tel dispositif.
Dans un troisième aspect de l’invention, un véhicule comprenant une telle ligne d’échappement.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence à la figure en annexe dans laquelle :
montre un synoptique du dispositif selon l’invention.
En référence à la , un dispositif 1 de post traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, est organisé selon un conduit 2 transportant les gaz d’échappement. Le conduit 2 définit un passage 8 de circulation des gaz d’échappement s’étendant entre l’extrémité amont et l’extrémité avale. Le passage 8 de circulation est conformé pour conduire les gaz d’échappement depuis l’extrémité amont du conduit 2 jusqu’à l’extrémité avale du conduit 2. Sur la , le flux de gaz d’échappement est figuré par des flèches. Aussi, les gaz d’échappement circulent, depuis l’amont, situé à gauche de la , où se trouve le moteur (non représenté) produisant les gaz d’échappement, jusqu’à l’aval, situé à droite de la . Le conduit 2 couvre l’ensemble du dispositif 1 depuis son entrée à l’amont jusqu’à sa sortie à l’aval. Le conduit 2 intègre et connecte tous les composants, délivre le flux de gaz d’échappement à leur entrée et le récupère à leur sortie après que ledit flux ait traversé le composant.
Le dispositif 1 comprend, reliés par le conduit 2, en séquence de l’amont vers l’aval : un injecteur 3 et un organe de purification 6. L’injecteur 3 est apte à injecter un agent réducteur dans le passage 8 de circulation, afin que ledit agent réducteur se mélange aux gaz d’échappement qui circulent dans le conduit 2. L’organe de purification 6 est apte à réduire le mélange gaz d’échappement et agent réducteur afin de réduire les oxydes d’azote contenus dans les gaz d’échappement.
Selon une caractéristique de l’invention, l’injecteur 3 est chauffant. Ceci permet de pouvoir chauffer l’agent réducteur préalablement à l’injection. Ainsi, l’apport de chaleur produit par l’injecteur 3 chauffé permet d’injecter l’agent réducteur sous forme de microgouttelettes.
Le chauffage de l’agent réducteur, en ce qu’il le rapproche de sa température d’évaporation, facilite son mélange avec les gaz d’échappement et participe à la fonction de mélange et à l’homogénéisation des gaz d’échappement avec l’agent réducteur, améliorant ainsi la réaction chimique de réduction des oxydes d’azote.
Ceci est d’autant plus efficace que la caractéristique précédente, de chauffage de l’injecteur 3, s’accompagne d’un chauffage, réalisé au moyen d’un élément chauffant 4, intégré au dispositif 1. Cet élément chauffant 4 est avantageusement disposé entre l’injecteur 3 et l’organe de purification 6. Ainsi, l’élément chauffant 4 chauffe le mélange gaz d’échappement et agent réducteur, qui à son tour chauffe l’organe de purification 6 lorsqu’il traverse l’organe de purification 6.
Selon une autre caractéristique, l’élément chauffant 4 est du type comprenant une grille ou préférentiellement une mousse, disposée en travers du conduit 2. Dans ce type d’élément chauffant, encore désigné par l’acronyme EHC (de l’anglais Electrically Heated Catalyst), une tranche de grille ou de mousse est disposée en travers de la section du conduit2. Cette tranche est chauffée. Le mélange de gaz d’échappement et d’agent réducteur circulant dans le conduit 2 traverse ladite tranche chaude et se réchauffe au passage.
De plus, une grille, et encore plus une mousse, résiste au passage du mélange gaz d’échappement et agent réducteur. Cette résistance s’accompagne d’une perturbation de l’écoulement du flux qui crée des turbulences favorables à une homogénéisation du mélange de l’agent réducteur avec les gaz d’échappement. Aussi, l’élément chauffant 4, via sa grille ou sa mousse, participe à la fonction de mélange des gaz d’échappement et de l’agent réducteur.
Selon une autre caractéristique, la grille ou la mousse est métallique. Ainsi, elle peut être chauffée électriquement par effet joule au moyen d’au moins une électrode, et de préférence deux électrodes, disposées à deux extrémités de l’élément chauffant 4.
Selon une autre caractéristique, l’injecteur 3 est distant de l’élément chauffant 4 afin de maximiser la surface de l’élément chauffant 4 recevant de l’agent réducteur. L’injecteur 3 produit un jet sensiblement conique. Aussi la distance retenue, entre l’injecteur 3 et l’élément chauffant 4 est déterminé par l’homme du métier de manière à ce que le cône d’injection couvre sensiblement la plus grande surface possible de l’élément chauffant 4.
Le chauffage de l’élément chauffant 4, participe au chauffage de l’agent réducteur. Comme précédemment pour l’injecteur 3, un chauffage de l’agent réducteur est avantageux en ce qu’il aide l’agent réducteur à s’évaporer et ce faisant améliore l’homogénéisation du mélange gaz d’échappement et agent réducteur. De plus, un chauffage de l’agent réducteur, que ce soit par l’injecteur 3 et/ou par l’élément chauffant 4, diminue nettement les risques de dépôt d’agent réducteur sur l’élément chauffant 4.
Il a été vu que l’élément chauffant 4, via sa grille ou sa mousse, réalise une fonction de mélange de l’agent réducteur avec les gaz d’échappement. Il se peut que ce mélange ne soit pas suffisamment homogène en amont de l’organe de purification 6 pour réduire les oxydes d’azote. Aussi, selon une autre caractéristique, le dispositif 1 comprend encore un mélangeur 5. Ce mélangeur 5, dédié à la fonction de mélange de l’agent réducteur et des gaz d’échappement, peut être de tout type.
On se reportera avec profit au nombreux dispositifs mélangeurs existant, comprenant un injecteur d’agent réducteur et un mélangeur, tels que, par exemple, ceux déposés par la demanderesse. Un tel mélangeur 5 est de préférence disposé entre l’injecteur 3 et l’organe de purification 6. Il a pour fonction de compléter ou de parfaire l’homogénéisation du mélange gaz d’échappement et agent réducteur pour optimiser la conversion (réduction) des NOx dans l’organe de purification 6.
Il a été vu que le chauffage par l’injecteur 3 et le chauffage par l’élément chauffant 4 étaient synergiques. Ceci est encore complété par un séquencement de ces deux chauffages en fonction de la température des gaz d’échappement.
Selon la température des gaz d’échappement, les systèmes de contrôle thermiques du chauffage de l’injecteur 3 et de l’élément chauffant 4 peuvent être activés ou désactivés, simultanément ou alternativement, de manière à optimiser l’efficacité de chauffe de l’organe de purification 6.
Les différents modes opératoires de chauffe sont : chauffage de l’élément chauffant 4 seul, chauffage de l’injecteur 3 seul, chauffage de l’élément chauffant 4 et chauffage de l’injecteur 3 ensemble et aucun chauffage.
De manière préférée, avec la montée de la température, l’élément chauffant 4 est d’abord chauffé seul. Ensuite, l’injecteur 3 et l’élément chauffant 4 sont chauffés ensemble. Puis, l’injecteur 3 est chauffé seul. Enfin, lorsque tout est suffisamment chaud, ni l’injecteur 3, ni l’élément chauffant 4 ne sont chauffés.
Il convient de noter que l’injecteur 3 peut fonctionner sans chauffage. Il se comporte alors comme un injecteur classique. Il peut fonctionner en mode non chauffé de 0° à 500°C.
Aussi, selon une autre caractéristique, l’injecteur 3 est thermiquement activé seul lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 100° et 280°C et préférentiellement entre 130° et 220°C.
Selon une autre caractéristique, l’élément chauffant 4 est thermiquement activé seul lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 0° et 300°C, préférentiellement entre 0° et 220°C.
Selon une autre caractéristique, l’injecteur 3 et l’élément chauffant 4 sont thermiquement activés ensemble lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 100° et 250°C, de préférence entre 130° et 220°C.
Selon une autre caractéristique, l’injecteur 3 est chauffé électriquement selon une technologie d’ébullition éclair, encore dénommée en anglais : « flash boiling ».
Il a été vu que le pilotage du chauffage de l’injecteur 3 et le pilotage de l’élément chauffant 4 sont réalisés en fonction de la température des gaz d’échappement. Aussi, selon une autre caractéristique, le dispositif 1 comprend encore un capteur 7 de température des gaz d’échappement. Ce capteur de température 7 est avantageusement disposé à l’entrée du dispositif 1, en amont de l’injecteur 3.
L’invention concerne encore une ligne d’échappement comprenant au moins un tel dispositif 1.
L’invention concerne encore un véhicule comprenant une telle ligne d’échappement.
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.
1 : dispositif,
2 : conduit,
3 : injecteur,
4 : élément chauffant,
5 : mélangeur,
6 : organe de purification,
7 : capteur de température,
8 : passage de circulation.

Claims (10)

  1. Dispositif (1) de post traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, comprenant, un conduit (2) définissant un passage (8) de circulation des gaz d’échappement et, de l’amont à l’aval du conduit (2), un injecteur (3) agencé pour injecter un agent réducteur dans le passage (8) de circulation et un organe de purification (6), caractérisé en ce qu e l’injecteur (3) est chauffant, de manière à chauffer l’agent réducteur au préalable de l’injection et en ce que le dispositif (1) comprend encore un élément chauffant (4) disposé entre l’injecteur (3) et l’organe de purification (6).
  2. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’injecteur (3) est distant de l’élément chauffant (4) de manière à maximiser la surface de l’élément chauffant (4) recevant de l’agent réducteur.
  3. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant encore un mélangeur (5), disposé entre l’injecteur (3) et l’organe de purification (6), et de préférence entre l’élément chauffant (4) et l’organe de purification (6).
  4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’injecteur (3) est thermiquement activé seul lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 100° et 280°C, et de préférence entre 130° et 220°C.
  5. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’élément chauffant (4) est thermiquement activé seul lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 0° et 300°Cet de préférence entre 0° et 220°C.
  6. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’injecteur (3) et l’élément chauffant (4) sont thermiquement activés ensemble lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 100° et 250° et de préférence entre 130° et 220°C.
  7. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’injecteur 3 est chauffé électriquement selon une technologie d’ébullition éclair..
  8. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant encore un capteur (7) de température des gaz d’échappement, disposé à l’entrée du dispositif (1), en amont de l’injecteur (3)..
  9. Ligne d’échappement caractérisée en ce qu’elle comprend un dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  10. Véhicule caractérisé en ce qu’il comprend une ligne d’échappement selon la revendication précédente.
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