WO2008050009A1 - Procede et dispositif d'injection de carburant dans un courant de gaz d'echappement - Google Patents

Procede et dispositif d'injection de carburant dans un courant de gaz d'echappement Download PDF

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WO2008050009A1
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liquid
injected
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PCT/FR2007/051809
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Fabien Defransure
Patrick Dumont
Samuel Guillat
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Renault S.A.S.
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for injecting a liquid, in particular a liquid fuel, into an exhaust gas stream of an internal combustion engine circulating in a pipe.
  • the circuit usually comprises a particulate filter, for example catalytic, in which accumulate soot particles.
  • This rise in temperature is usually achieved by injecting fuel, preferably at the catalyst inlet.
  • This fuel injected in liquid form into the exhaust gas stream, is vaporized due to the temperature of these gases and is thus distributed in the catalyst to decompose the oxides or in the particulate filter to burn the stored soot.
  • the object of the invention is to avoid such drawbacks by producing, as soon as the fuel is injected into the hot gas stream, an intense stirring allowing to achieve a homogeneous mixture from the entry into the catalyst and, thus, to avoid hot spots, the fuel being distributed throughout the volume of the catalytic bread.
  • the invention therefore generally relates to a method and a device for injecting a liquid such as a fuel in an exhaust gas stream of an internal combustion engine flowing in a pipe.
  • the liquid is first injected into a heated chamber at a temperature sufficient for the complete vaporization of the injected liquid and the vapor thus formed is introduced into the exhaust pipe by at least one means of communication between the vaporization chamber and the pipe, forming at least one steam jet in a direction transverse to the gas flow flowing in said pipe, to achieve a homogeneous mixture, by stirring, the vaporized liquid with said gas stream.
  • the vaporization chamber is separated from the exhaust duct by a wall provided with at least one communication orifice opening directly into the exhaust duct and is heated by heat exchange with the exhaust gases. exhaust through said wall.
  • the exhaust gas conduit forms a bend with an outwardly convex outer wall and a concave inner wall and the vaporization chamber is contiguous along a portion of the inner wall. of the pipe, so that the flow of gas deflected outwardly in the bend of the pipe causes a vacuum effect along the concave wall facilitating the introduction into said stream of steam from the chamber of vaporization.
  • the gas circulation pipe is separated from the vaporization chamber by a concave wall on which are formed a plurality of steam evacuation ports in radiating directions which transversely cut the flow of gas flowing in. the driving.
  • the invention is especially applicable to the injection of liquid fuel into a post-treatment unit connected to a gas exhaust system of an engine comprising a pipe along which is contiguous a vaporization chamber separate from the conducted by a wall provided with at least one communication orifice and in which a fuel is injected which is heated and vaporises in said chamber, the vaporized fuel being discharged into the pipe through the communication orifices by mixing with the gas of exhaust.
  • the post-treatment member may be a catalytic bread placed in an elongated enclosure having an inlet face into which an exhaust gas supply pipe opens.
  • this supply line is connected to the inlet face of the post-treatment member by a bent portion rotating around the vaporization chamber, having its concavity turned towards the vaporization chamber and provided with orifices. communication, the vaporized fuel thus tending to be sucked by the exhaust gas flowing along said curved portion.
  • FIG. 1 is an overall diagram of a catalyst equipped with an injection device according to the invention.
  • Figure 2 is a detail view of the exhaust gas inlet zone.
  • FIG. 1 diagrammatically shows a catalyst 1 consisting of a catalyst roll 1 1 placed in an elongated enclosure 12 which is disposed on a circuit 2 for the circulation of the exhaust gases of an engine and therefore comprises a inlet face 13 to which is connected a gas supply pipe 21 and an outlet face 14 which opens into a discharge pipe 22.
  • the hot exhaust gases emitted by an internal combustion engine are discharged through the circuit 2 or a part thereof, passing through the catalyst 1 which may be, for example, of the type intended to trap nitrogen oxides NO x .
  • the nitrogen oxides or other pollutants which thus accumulate in the post-treatment unit 1 must be removed periodically in a so-called regeneration phase and, for this, it is usual in this phase of regeneration, to operate in a rich mixture by injecting into the exhaust gas a certain proportion of fuel which, by an exothermic oxidation reaction of the reducing agents inside the catalyst, raises the temperature of the gases to a level allowing break down nitrates or, for example, burn soot.
  • the fuel injector 3 does not open directly into the supply line 21 but, on the contrary, into a closed chamber 4 which is contiguous to the supply line 21 and is therefore separated from it by a thin wall 41 forming part of the wall 20 of the supply pipe 21.
  • the closed enclosure 4 is thus heated by the stream of hot gases 5 which is at an elevated temperature of several hundred degrees, so that the injected fuel 21 vaporizes immediately inside the chamber 4 which is thus pressurized.
  • the partition wall 41 is provided with a plurality of orifices 42 through which the vapor thus formed can escape by forming steam jets 32.
  • the orifices 42 are distributed along the partition wall 41 and shaped so that the steam jets 32 are substantially orthogonal to the direction of the hot gas stream 5.
  • the supply pipe 21 before connecting to the chamber 12 of the catalyst 1, the supply pipe 21 forms a bend 24 inside which is placed the chamber 4 constituting the vaporization chamber.
  • This bend 24 is thus limited by an outwardly convex outer wall and a concave inner wall 26 along which the vaporization chamber 4 is contiguous and a part of which thus constitutes the partition wall 41 between this chamber 4 and the chamber 4. bent portion 24 of the pipe 21.
  • This arrangement increases the perimeter of the partition wall 41 and, therefore, the exchange surface, which promotes the heating of the fuel inside the chamber 4.
  • outlets 42 placed along the inner wall 26 of the bent portion 24 produce jets substantially orthogonal to the wall 26 and which, therefore, are radially directed and are distributed in a star at the exit of the orifices 42.
  • These steam jets 32 are immediately deflected downstream by the stream of hot gases 5 and this results in intense mixing producing a homogeneous mixture of the fuel vapor with the hot gases before they enter the catalyst 1 1 .
  • the bent shape of the portion 24 of the supply line 20 connecting to the inlet 13 of the catalyst 1 causes an outward deflection of the stream 51 and a tendency to detach the portion 52 of the gas along the partition wall 41 with a certain depression effect which promotes the aspiration of the injected vapor even if the overpressure in the chamber 4 is not very high.
  • the invention has been described in the case of a catalytic bread placed in an elongated enclosure but can be applied to another form of catalyst and another type of post-treatment member, for example a filter particles.

Abstract

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif d'injection d'un liquide dans un courant de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne circulant dans une conduite. Selon l'invention le liquide est d'abord injecté dans une chambre (4) chauffée à une température suffisante pour la vaporisation complète du liquide injecté (31) et la vapeur ainsi formée est introduite dans la conduite d'échappement (2) par au moins un moyen (42) de communication entre la chambre de vaporisation (4) et la conduite (21) en formant au moins un jet de vapeur suivant une direction transversale au courant de gaz circulant dans ladite conduite pour un brassage homogène de la vapeur injectée avec ledit courant de gaz. L'invention s'applique spécialement à l'injection de carburant dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT DANS UN COURANT DE GAZ D'ECHAPPEMENT
L'invention a pour objet un procédé et un dispositif d'injection d'un liquide, en particulier un carburant liquide, dans un courant de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne circulant dans une conduite.
Il est connu, pour éviter ou, au moins, diminuer les risques de pollution par les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, en particulier d'automobiles, de placer sur le circuit d'échappement au moins un organe de post-traitement permettant de réduire, en particulier, les émissions d'oxyde d'azote NOx et constitué, habituellement, d'un catalyseur dénommé "NOx-trap" dans lequel sont piégés les oxydes d'azote émis pendant le fonctionnement du moteur en mélange pauvre. Le fonctionnement d'un tel catalyseur est décrit, par exemple, dans le document EP-A- 0 580 389.
En outre, pour éliminer les particules de suie entraînées par les gaz d'échappement, le circuit comporte habituellement un filtre à particules, par exemple catalytique, dans lequel s'accumulent les particules de suie.
Du fait que de tels organes de post-traitement piègent et stockent les polluants dans les phases de fonctionnement normal, en particulier en mélange pauvre, il est nécessaire de les régénérer périodiquement et, pour cela, le moteur est exploité en régime riche pendant un certain temps de façon à décomposer les nitrates accumulés dans le catalyseur de type "NOx-trap" et/ou à brûler les suies accumulées dans le filtre à particules.
Cette élévation de température est obtenue, habituellement, en injectant du carburant, de préférence à l'entrée du catalyseur. Ce carburant, injecté sous forme liquide dans le courant de gaz d'échappement, est vaporisé en raison de la température de ces gaz et se répartit ainsi dans le catalyseur pour décomposer les oxydes ou dans le filtre à particules pour brûler les suies stockées.
On a observé, cependant, que le carburant ainsi injecté à l'entrée du catalyseur ne se mélangeait pas toujours de façon homogène au courant de gaz chauds et qu'il pouvait en résulter, dans les zones trop riches en carburant, des points chauds risquant de détériorer le pain catalytique, d'autant plus que, pour effectuer la régénération avec un bon rendement, on s'efforce d'élever les gaz à une température optimale proche de la température maximale admissible.
L'invention a pour but d'éviter de tels inconvénients en réalisant, dès l'injection de carburant dans le courant de gaz chauds, un brassage intense permettant de réaliser un mélange homogène dès l'entrée dans le catalyseur et, ainsi, d'éviter les points chauds, le carburant étant réparti dans tout le volume du pain catalytique.
L'invention concerne donc, d'une façon générale, un procédé et un dispositif d'injection d'un liquide tel qu'un carburant dans un courant de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne circulant dans une conduite.
Conformément à l'invention, le liquide est d'abord injecté dans une chambre chauffée à une température suffisante pour la vaporisation complète du liquide injecté et la vapeur ainsi formée est introduite dans la conduite d'échappement par au moins un moyen de communication entre la chambre de vaporisation et la conduite, en formant au moins un jet de vapeur suivant une direction transversale au courant de gaz circulant dans ladite conduite, pour réaliser un mélange homogène, par brassage, du liquide vaporisé avec ledit courant de gaz.
De façon particulièrement avantageuse, la chambre de vaporisation est séparée de la conduite d'échappement par une paroi munie d'au moins un orifice de communication débouchant directement dans la conduite d'échappement et elle est chauffée par échange de chaleur avec les gaz d'échappement à travers ladite paroi.
Dans un mode de réalisation préférentiel, la conduite de circulation des gaz d'échappement forme un coude avec une paroi externe convexe vers l'extérieur et une paroi interne concave et la chambre de vaporisation est accolée le long d'une partie de la paroi interne de la conduite, de façon que le courant de gaz dévié vers l'extérieur dans le coude de la conduite provoque un effet de dépression le long de la paroi concave facilitant l'introduction, dans ledit courant, de la vapeur venant de la chambre de vaporisation.
De façon particulièrement avantageuse, la conduite de circulation des gaz est séparée de la chambre de vaporisation par une paroi concave sur laquelle sont ménagés une pluralité d'orifices d'évacuation de la vapeur suivant des directions rayonnantes qui coupent transversalement le courant de gaz circulant dans la conduite.
L'invention s'applique spécialement à l'injection de carburant liquide dans un organe de post-traitement relié à un circuit d'échappement des gaz d'un moteur comportant une conduite le long de laquelle est accolée une chambre de vaporisation séparée de la conduite par une paroi munie d'au moins un orifice de communication et dans laquelle est injecté un carburant qui est chauffé et se vaporise dans ladite chambre, le carburant vaporisé étant évacué dans la conduite par les orifices de communication en se mélangeant au gaz d'échappement. En particulier, l'organe de post-traitement peut être un pain catalytique placé dans une enceinte de forme allongée ayant une face d'entrée dans laquelle débouche une conduite d'alimentation en gaz d'échappement. De préférence, cette conduite d'alimentation se raccorde à la face d'entrée de l'organe de post-traitement par une partie coudée tournant autour de la chambre de vaporisation, ayant sa concavité tournée vers la chambre de vaporisation et munie d'orifices de communication, le carburant vaporisé ayant ainsi tendance à être aspiré par les gaz d'échappement circulant le long de ladite partie courbe.
D'autres caractéristiques, avantageuses apparaîtront dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés.
La figure 1 est un schéma d'ensemble d'un catalyseur équipé d'un dispositif d'injection selon l'invention.
La figure 2 est une vue de détail de la zone d'entrée des gaz d'échappement.
Sur la figure 1 , on a représenté schématiquement un catalyseur 1 constitué d'un pain catalytique 1 1 placé dans une enceinte 12 de forme allongée qui est disposée sur un circuit 2 de circulation des gaz d'échappement d'un moteur et comporte donc une face d'entrée 13 à laquelle se raccorde une conduite d'alimentation en gaz 21 et une face de sortie 14 qui débouche dans une conduite d'évacuation 22.
De façon classique, les gaz d'échappement chauds émis par un moteur à combustion interne non représenté sont évacués par le circuit 2 ou une partie de celui-ci, en traversant le catalyseur 1 qui peut être, par exemple, du type destiné à piéger les oxydes d'azote NOx.
Comme indiqué plus haut, les oxydes d'azote ou autres polluants qui s'accumulent ainsi dans l'organe de post-traitement 1 doivent être éliminés périodiquement dans une phase dite de régénération et, pour cela, il est habituel, dans cette phase de régénération, de fonctionner en mélange riche en injectant dans les gaz d'échappement une certaine proportion de carburant qui, par une réaction exothermique d'oxydation des réducteurs à l'intérieur du catalyseur, élève la température des gaz jusqu'à un niveau permettant de décomposer les nitrates ou, par exemple, de brûler les suies.
Dans la mesure où cette réaction exothermique se produit à l'intérieur du catalyseur, il est avantageux d'injecter le carburant juste avant l'entrée des gaz dans le catalyseur, au moyen d'un injecteur 3 débouchant à l'extrémité de la conduite d'alimentation 21 qui forme un cône d'entrée 23 se raccordant à la face d'entrée 13 du catalyseur. Le carburant ainsi injecté dans le courant de gaz chauds 5 forme un mélange riche qui traverse le pain catalytique 1 1 jusqu'à la face de sortie 14 débouchant dans la conduite d'évacuation 22.
Selon l'invention, l'injecteur de carburant 3 ne débouche pas directement dans la conduite d'alimentation 21 mais, au contraire, dans une enceinte fermée 4 qui est accolée à la conduite d'alimentation 21 et est donc séparée de celle-ci par une paroi mince 41 constituant une partie de la paroi 20 de la conduite d'alimentation 21 . L'enceinte fermée 4 est donc chauffée par le courant de gaz chauds 5 qui se trouve à une température élevée de plusieurs centaines de degrés, de telle sorte que le carburant injecté 21 se vaporise immédiatement à l'intérieur de la chambre 4 qui est ainsi mise sous pression.
La paroi de séparation 41 est cependant munie d'une pluralité d'orifices 42 par lesquels la vapeur ainsi formée peut s'échapper en formant des jets de vapeur 32.
Les orifices 42 sont répartis le long de la paroi de séparation 41 et conformés de façon que les jets de vapeur 32 soient sensiblement orthogonaux à la direction du courant de gaz chauds 5.
De façon particulièrement avantageuse, avant de se raccorder à l'enceinte 12 du catalyseur 1 , la conduite d'alimentation 21 forme un coude 24 à l'intérieur duquel est placée l'enceinte 4 constituant la chambre de vaporisation.
Ce coude 24 est donc limité par une paroi externe 25 convexe vers l'extérieur et une paroi interne concave 26 le long de laquelle est accolée la chambre de vaporisation 4 et dont une partie constitue donc la paroi de séparation 41 entre cette chambre 4 et la partie coudée 24 de la conduite 21 .
Cette disposition augmente le périmètre de la paroi de séparation 41 et, donc, la surface d'échange, ce qui favorise le chauffage du carburant à l'intérieur de la chambre 4.
D'autre part, les orifices de sortie 42 placés le long de la paroi interne 26 de la partie coudée 24 produisent des jets sensiblement orthogonaux à cette paroi 26 et qui, par conséquent, sont dirigés radialement et se répartissent en étoile à la sortie des orifices 42. Ces jets de vapeur 32 sont immédiatement déviés vers l'aval par le courant de gaz chauds 5 et il en résulte un brassage intense produisant un mélange homogène de la vapeur du carburant avec les gaz chauds avant leur entrée dans le catalyseur 1 1 . Par ailleurs, la forme coudée de la partie 24 de la conduite d'alimentation 20 se raccordant à l'entrée 13 du catalyseur 1 provoque une déviation vers l'extérieur du courant 51 et une tendance au décollement de la partie 52 des gaz longeant la paroi de séparation 41 avec un certain effet de dépression qui favorise l'aspiration de la vapeur injectée même si la surpression dans la chambre 4 n'est pas très élevée.
Grâce à ce mélange homogène du carburant dans le courant de gaz chauds, on évite la formation de points chauds à l'intérieur du pain catalytique 1 1 et il est donc possible d'augmenter la température des gaz à un niveau optimal proche de la température maximale supportable par le catalyseur, sans détérioration de celui-ci.
Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre de simple exemple mais couvre au contraire toutes les variantes utilisant des moyens équivalents et restant dans le même cadre de protection.
En particulier, l'invention a été décrite dans le cas d'un pain catalytique placé dans une enceinte allongée mais peut s'appliquer à une autre forme de catalyseur et un autre type d'organe de post-traitement, par exemple un filtre à particules.
D'autre part, il est avantageux de placer la chambre de vaporisation 4 dans un coude de la conduite d'alimentation 21 mais celle-ci pourrait être rectiligne et d'autres dispositions seraient également possibles.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d'injection d'un liquide dans un courant (5) de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne circulant dans une conduite (21 ), le liquide réducteur (31 ) étant d'abord injecté dans une chambre (4) chauffée à une température suffisante pour la vaporisation complète du liquide injecté (31 ), la vapeur (32) ainsi formée étant introduite dans la conduite d'échappement (2) par au moins un moyen (42) de communication entre la chambre de vaporisation (4) et la conduite (21 ) en formant au moins un jet (32) de vapeur pour réaliser un mélange homogène, par brassage, du liquide vaporisé (32) avec ledit courant de gaz (5) caractérisé par le fait que la chambre de vaporisation (4) est séparée de la conduite d'échappement (21 ) par une paroi (41 ) munie d'au moins un orifice (42) de communication débouchant directement dans la conduite d'échappement (21 ) et que le liquide injecté est chauffé et vaporisé par échange de chaleur avec les gaz d'échappement à travers ladite paroi (41 ).
2. Procédé d'injection selon la revendication 1 caractérisé en ce que on injecte la vapeur suivant une direction sensiblement orthogonale au courant (5) de gaz circulant dans ladite conduite (21 ).
3. Procédé d'injection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la conduite (21 ) de circulation des gaz forme un coude (24) avec une paroi externe (25) convexe vers l'extérieur et une paroi interne concave (26) et que la chambre de vaporisation (4) est accolée le long d'une partie (41 ) de la paroi interne (26) de la conduite (21 ), de façon que le courant (5) de gaz dévié vers l'extérieur dans le coude (24) de la conduite (21 ) provoque un effet de dépression le long de la paroi concave (41 ) facilitant l'introduction dans ledit courant de la vapeur venant de la chambre de vaporisation (4).
4. Dispositif d'injection d'un liquide réducteur dans un courant (5) de gaz d'échappement circulant dans une conduite (21 ), comprenant des moyens (3) d'injection du liquide (31 ) dans une chambre (4), un moyen (42) de communication entre ladite chambre (4) et la conduite (21 ) et un moyen de chauffage (41 ) de la chambre (4) à une température suffisante pour la vaporisation du liquide injecté (31 ) et l'introduction de la vapeur (32) ainsi formée dans le courant (5) de gaz circulant dans la conduite (21 ) caractérisé par le fait que la chambre de vaporisation (4) est accolée à la conduite d'échappement (21 ) le long d'une partie (41 ) de la paroi (20) de celle-ci, ladite partie (41 ) de la paroi (20) étant munie d'au moins un orifice (42) d'évacuation du liquide vaporisé, de préférence selon une direction sensiblement orthogonale, et en ce que ladite partie (41 ) de la paroi (20) constitue un moyen de chauffage du liquide injecté dans la chambre (4) par échange de chaleur avec les gaz (5) à travers ladite paroi (41 ).
5. Dispositif d'injection selon l'une des revendications 4, caractérisé par le fait que la conduite (21 ) parcourue par les gaz d'échappement (5) forme un coude (24) ayant une partie interne (26) concave vers l'extérieur et une partie externe (25) convexe, et que la chambre de vaporisation (4) est accolée le long d'une partie (41 ) de la paroi interne concave (26) de la conduite (21 ).
6. Dispositif d'injection selon l'une des revendications 4, et 5, caractérisé par le fait que la conduite (21 ) de circulation des gaz est séparée de la chambre de vaporisation (4) par une paroi concave (41 ) sur laquelle sont ménagés une pluralité d'orifices (42) d'évacuation de la vapeur suivant des directions rayonnantes (32) transversales au courant de gaz (5) circulant dans la conduite (21 ).
7. Dispositif d'injection selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait qu'il est appliqué à l'injection d'un carburant liquide dans un organe de posttraitement (1 ) relié à un circuit (2) d'échappement des gaz d'un moteur par une conduite (21 ) le long de laquelle est accolée une chambre de vaporisation (4) séparée de la conduite (21 ) par une paroi (41 ) munie d'au moins un orifice de communication (42) et dans laquelle débouche un injecteur de carburant (3), ledit carburant étant chauffé et vaporisé dans ladite chambre (4) et la vapeur formée (32) étant évacuée dans la conduite (21 ) par des orifices de communication (42) en se mélangeant aux gaz d'échappement (5).
8. Dispositif d'injection selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'organe de post-traitement (1 ) est un pain catalytique (1 1 ) placé dans une enceinte (12) de forme allongée ayant une face d'entrée (13) dans laquelle débouche une conduite (21 ) d'alimentation en gaz d'échappement.
9. Dispositif d'injection selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la conduite (21 ) d'alimentation se raccorde à la face d'entrée (13) de l'organe de posttraitement (1 ) par une partie coudée (24) tournant autour de la chambre de vaporisation (4) et séparée de celle-ci par une paroi courbe (41 ) munie d'orifices de communication (42) et ayant sa concavité tournée vers la chambre de vaporisation (4) de telle sorte que le carburant (32) vaporisé dans la chambre de vaporisation ait tendance à être aspiré par les gaz d'échappement (5) circulant dans ladite partie courbe (24) vers l'organe de post-traitement (1 ).
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