FR2945576A1

FR2945576A1 - Melangeur, dispositif de depollution et ligne d'echappement equipee de ce melangeur.

Info

Publication number: FR2945576A1
Application number: FR0953181A
Authority: FR
Inventors: Francois Carissimo
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-11-19

Abstract

L'invention concerne un mélangeur de ligne d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend un déflecteur (50) conformé pour guider les gaz d'échappement le long d'un parcours (52) qui les rapproche de la périphérie intérieure de la ligne d'échappement, la longueur développée de ce déflecteur le long dudit parcours étant supérieure ou égale à la moitié de la plus grande dimension transversale de ladite périphérie intérieure.

Description

MELANGEUR, DISPOSITIF DE DEPOLLUTION ET LIGNE D'ECHAPPEMENT EQUIPEE DE CE MELANGEUR [000l] L'invention concerne un mélangeur de ligne d'échappement ainsi qu'un dispositif de dépollution et une ligne d'échappement équipés de ce mélangeur. [0002] Les mélangeurs ont pour fonction de mélanger de la façon la plus homogène possible un fluide injecté dans la ligne d'échappement avec les gaz d'échappement produit par un moteur à combustion. [0003] Le fluide est directement injecté dans la ligne d'échappement par un injecteur sans passer par le moteur à combustion. On parle alors de post-injection . [0004 Par exemple, il a déjà été proposé d'injecter un précurseur d'un réducteur en amont d'un catalyseur RCS (Réduction Catalytique Sélective) connue sous l'acronyme anglais SCR (Selective Catalytic Reduction). [0005] Dans la suite de cette description, l'amont et l'aval sont définis par rapport au 15 sens d'écoulement des gaz d'échappement. [0006] Un catalyseur RCS permet de réduire sélectivement les oxydes d'azote, notés NOx, en azote en présence d'un réducteur. Cette réduction s'effectue dans un milieu contenant généralement un excès d'air. Le réducteur peut être un ou des hydrocarbures, ou des espèces hydrocarbonées partiellement oxydées ou de 20 l'ammoniaque. Pour mettre en présence le catalyseur RCS et le réducteur, il a été proposé d'injecter en amont du catalyseur RCS un précurseur du réducteur. Un précurseur est un composé générant le réducteur par décomposition chimique. [000n Par exemple, l'ammoniaque peut être générée à partir d'une solution aqueuse d'urée selon les réactions chimiques décrites dans la demande de brevet 25 FR2873158. La transformation de l'urée par thermolyse a lieu aux alentours de 180°C. [000s] Les catalyseurs RCS utilisés pour des applications automobiles sont à base de vanadium ou de cuivre/zeolithe. Le fonctionnement optimal de ce type de catalyseur a lieu dans un domaine de température variant 200 et 450°C. Afin d'améliorer la réduction des NOx à basse température, il est intéressant de fournir du NO2 de façon telle que le rapport NO2/NO varie de 0,5 à 1 suivant la nature du catalyseur. Les réactions chimiques ayant alors lieu sur le catalyseur RCS sont décrites dans la demande de brevet FR2873158. [0009] Le catalyseur RCS est déposé sur une structure, par exemple, alvéolaire appelée pain RCS . [ooio] La décomposition du précurseur en réducteur nécessite un certain temps AT. Ainsi, classiquement, l'injecteur du précurseur est placé à l'entrée d'une section rectiligne de la ligne d'échappement et le catalyseur RCS se trouve en sortie de cette section rectiligne. La section rectiligne présente une longueur D telle que le temps de parcours de la section rectiligne par le précurseur injecté soit supérieur à AT pour permettre sa décomposition en réducteur. La longueur D est assez importante de sorte que la température des gaz d'échappement décroît de façon non négligeable entre l'entrée et la sortie de cette section rectiligne. Ces pertes thermiques réduisent l'efficacité du catalyseur RCS et des organes de dépollution situés en aval de cette section rectiligne. De plus, à cause de cette section rectiligne, le dispositif de dépollution des gaz d'échappement n'est pas compact. [0011] L'invention vise à remédier à au moins l'un de ces inconvénients. Elle a donc pour objet un mélangeur comprenant un déflecteur conformé pour guider les gaz d'échappement le long d'un parcours qui les rapproche de la périphérie intérieure de la ligne d'échappement, la longueur développée de ce déflecteur le long dudit parcours étant supérieure ou égale à la moitié de la plus grande dimension transversale de ladite périphérie intérieure. [0012] Grâce au mélangeur ci-dessus le temps de parcours des gaz d'échappement au travers du mélangeur est substantiellement augmenté. Ainsi, la section rectiligne utilisée dans le dispositif de dépollution devient en partie inutile et peut-être omise ou réduite. L'encombrement du dispositif de dépollution incorporant ce mélangeur peut donc alors être réduit également. [0013] De plus, puisque la longueur de la section rectiligne est réduite, les pertes thermiques le sont également ce qui améliore l'efficacité du dispositif de dépollution. [0014] Les modes de réalisation de ce mélangeur peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques correspondant aux modes de réalisation préférés suivants. [0015] Dans une variante, le mélangeur comprend au moins un cône de vaporisation apte à recevoir un fluide injecté sous forme liquide et à le vaporiser à l'entrée dudit parcours. La présence d'un cône de vaporisation dans le mélangeur permet à ce mélangeur de vaporiser le fluide sous forme liquide avant de le mélanger aux gaz d'échappement. [0016] Dans une variante, la partie du déflecteur située à l'entrée dudit parcours forme également le cône de vaporisation. Former le cône de vaporisation à l'aide d'une partie du déflecteur simplifie la réalisation de ce mélangeur puisque le déflecteur remplit alors également la fonction de vaporisation du fluide. [0017] Dans une variante, l'extrémité libre du déflecteur est tournée vers un axe central de la ligne d'échappement pour ramener une partie des gaz d'échappement vers le centre de la ligne d'échappement. Recourber l'extrémité libre du déflecteur vers le centre de la ligne d'échappement permet d'homogénéiser la distribution des gaz d'échappement mélangés au fluide sur un pain catalytique situé en aval du mélangeur. [0018] Dans une variante, le cône de vaporisation et le déflecteur sont obtenus par emboutissage ou fluotournage d'une même plaque métallique. Réaliser le cône de vaporisation et le déflecteur dans un même bloc de matière simplifie sa fabrication. [0019] Dans une variante, le mélangeur comprend, en plus du déflecteur, des ailettes pour homogénéiser le mélange du fluide et des gaz d'échappement. La présence d'ailettes dans le mélangeur, en plus du déflecteur, améliore l'homogénéité du mélange. [0020] L'invention a également pour objet une ligne d'échappement d'un moteur à combustion comprenant le mélangeur ci-dessus. [0021] Dans une variante, la ligne comprend un rétreint débouchant directement sur le mélangeur. [0022] Dans une variante, la ligne comprend un catalyseur RCS (Réduction Catalytique Sélective) immédiatement placé en aval du mélangeur dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement pour réduire les oxydes d'azote en azote. Dans ce cas, le fluide injecté est alors un réducteur des oxydes d'azote ou un précurseur d'un tel réducteur à l'exemple de l'urée. En variante, le mélangeur peut être disposé immédiatement en amont d'un filtre à particules, le filtre injecté étant alors du gasoil. [0023] L'invention a également pour objet un véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion associé à une telle ligne d'échappement. [0024] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : • la figure 1 est une illustration schématique d'un véhicule équipé d'une ligne 15 d'échappement, et • la figure 2 est une illustration schématique et en coupe d'un dispositif de dépollution de la ligne d'échappement du véhicule de la figure 1. [0025] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. 20 [0026] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail. [0027] La figure 1 représente un véhicule 2. Le véhicule 2 est par exemple un véhicule automobile tel qu'une voiture. Ce véhicule est équipé d'un moteur à combustion 4 propre à entraîner en rotation les roues motrices. Ce moteur 4 25 comprend un collecteur d'admission 6 d'air frais dans des cylindres 8 et un collecteur d'échappement 10 propre à recueillir les gaz d'échappement créés par la combustion de l'air frais mélangé à du carburant dans les cylindres 8. Le collecteur 10 est fluidiquement raccordé à une ligne d'échappement 12 pour guider ces gaz d'échappement à l'extérieur du véhicule. Cette ligne d'échappement 12 est pourvue d'un ou plusieurs dispositifs de dépollution des gaz d'échappement permettant de satisfaire aux normes antipollutions en vigueur. Ces dispositifs antipollutions sont situés en aval du collecteur 10 et en amont d'une sortie 14 par laquelle les gaz d'échappement sont relâchés à l'extérieur du véhicule. [0028] Pour simplifier la figure 1, seule une partie de la ligne 12 a été représentée. Toujours pour simplifier la figure 1, seul un dispositif 16 de dépollution a été représenté. Le dispositif 16 s'étend le long d'un axe de symétrie 17. Ici, l'axe 17 forme un axe de révolution pour le dispositif 16. [0029] Le dispositif 16 remplit par exemple les fonctions suivantes : - réduire ou éliminer les monoxydes de carbone, notés CO, et les hydrocarbures non brûlés, notés HC, et - réduire ou éliminer les NOx. [0030] A cet effet, le dispositif 16 est équipé d'un catalyseur d'oxyde 18 tel qu'un catalyseur d'oxydation diesel connu sous l'acronyme anglais de DOC (Diesel Oxydation Catalyst). De préférence, ce catalyseur 18 permet également de transformer les monoxydes d'azote NO en dioxydes d'azote NO2 pour faciliter le fonctionnement d'un catalyseur RCS placé en aval dans la ligne d'échappement. Typiquement, le catalyseur d'oxydation se présente sous la forme d'un pain catalytique dont les parois sont revêtues du catalyseur d'oxydation. Ce pain catalytique peut être une structure alvéolaire. Ce pain catalytique est logé dans une première chambre 20 du dispositif 16 de manière à ce que l'ensemble des gaz d'échappement admis dans cette chambre 20 traverse ce pain catalytique. [0031] La chambre 20 se termine par un rétreint 22 qui réduit le diamètre de la 25 chambre 20. [0032] Le rétreint 22 débouche dans une courte section rectiligne 24. Par exemple, la longueur de la section rectiligne 24 est inférieure ou égale à son diamètre. La section rectiligne 24 débouche à l'intérieur d'une chambre 26. [0033] La chambre 26 comprend un catalyseur RCS 28 placé en aval d'un mélangeur 30. [0034] Par exemple, le catalyseur 28 est disposé sur un pain catalytique qui s'étend sur toute la largeur de la chambre 26 de manière à ce que les gaz d'échappement soient obligés de traverser ce pain. [0035] Pour le fonctionnement du catalyseur RCS 28, le dispositif 16 comprend également un injecteur 32 d'un précurseur d'un réducteur. Le précurseur se présente ici sous forme liquide. Ce précurseur est par exemple de l'urée tel qu'une solution aqueuse d'urée. Cette solution est contenue dans un réservoir 34. L'injecteur 32 comprend également une pompe 36 raccordée fluidiquement d'un côté au réservoir 34 et de l'autre côté à une buse d'injection 38. La buse 38 débouche à l'intérieur de la section rectiligne 24 en un point 40. [0036] La section rectiligne 24 permet de canaliser les gaz d'échappement dans une section réduite permettant d'y loger un injecteur vaporisant le fluide. [0037] La chambre 26 se termine par une restriction 42 qui diminue de nouveau le diamètre de la ligne d'échappement pour déboucher dans une canalisation 44. La canalisation 44 est raccordée fluidiquement à la sortie 14, éventuellement, par l'intermédiaire d'autres dispositifs de dépollution non représentés. [0038] La figure 2 représente plus en détail le dispositif 16 de dépollution et en particulier le mélangeur 30. [0039] Le mélangeur 30 est une pièce de révolution dont l'axe de révolution est ici confondu avec l'axe 17. [0040] Le mélangeur 30 comprend un déflecteur 50 pour guider les gaz d'échappement le long d'un parcours 52 en chicane qui les rapproche de la périphérie intérieure de la chambre 26. La périphérie intérieure est ici constituée par une enveloppe 54 de la ligne d'échappement directement en contact avec les gaz d'échappement guidés. [0041] La partie du déflecteur 50 qui s'étend le long du parcours 52 s'étend d'un point A situé sur l'axe 17 jusqu'à un point B. Le point B est ici le point du déflecteur 50 le plus proche de la périphérie intérieure de l'enveloppe 54. La longueur développée du déflecteur 50 le long du parcours 52 est au moins supérieure ou égale au rayon de la périphérie intérieure de la chambre 26. La longueur développée du déflecteur le long du parcours 52 est ici mesurée entre les points A et B. Le rayon de la périphérie intérieure est mesuré juste en aval du mélangeur 30 et en amont du catalyseur RCS. Ce déflecteur permet donc d'allonger le temps de parcours des gaz d'échappement au travers du mélangeur 30. Par exemple, la longueur développée du déflecteur 50 est choisie de manière à ce que la majorité de l'urée injectée au point 40 ait le temps de se décomposer en ammoniaque lors de la traversée du mélangeur 30. [0042] Le déflecteur 50 est placé en vis-à-vis d'une paroi 56 de l'enveloppe 54 qui s'étend de la section rectiligne 24 jusqu'en aval du mélangeur 30. Cette paroi 56 forme avec le déflecteur 50 un guide de flux 58 qui impose un parcours en chicane aux gaz d'échappement qui traversent le mélangeur 30. La section transversale de ce guide 58 est supérieure ou égale à la section transversale de la section rectiligne 24 de manière à limiter les pertes de charge causées par le mélangeur 30. [0043] La partie du déflecteur 50 située en entrée du parcours 52 forme un cône de vaporisation 60 apte à vaporiser le fluide sous forme liquide injecté au point 40 par l'injecteur 32. Le sommet de ce cône 60 correspond au point A sur l'axe 17. Le point d'injection est également situé sur l'axe 17 en amont du point A. Ainsi, le fluide injecté est amené par les gaz d'échappement directement sur le cône 60. Le cône 60 ainsi que l'ensemble du déflecteur du mélangeur 30 est ici réalisé dans un matériau présentant une bonne conductivité thermique c'est-à-dire une conductivité thermique au moins supérieure à 20 W.m-'.K-1 à 20°C. Typiquement, le matériau dans lequel est réalisé le mélangeur 50 est un métal tel que de l'acier inoxydable. Ainsi, le cône de vaporisation est chauffé par les gaz d'échappement qui s'écoulent. Lorsque le fluide sous forme liquide entre en contact avec le cône 60, il est donc chauffé, ce qui conduit à sa vaporisation. Ensuite, le fluide ainsi vaporisé suit le parcours 52. [0044] L'extrémité libre du déflecteur 50, représentée par un point C sur la figure 1, est tournée vers l'axe 17 de manière à diriger une partie des gaz d'échappement qui traversent le mélangeur 30 vers l'axe 17. Ceci permet de répartir uniformément les gaz d'échappement mélangés au fluide vaporisé sur la surface du pain contenant le catalyseur RCS. [0045] Ici, la face du mélangeur 30 entre les points A et B définit sensiblement une forme en sinus cardinal dans un plan de coupe contenant l'axe 17. Ainsi, cette forme présente un lobe principal centré sur l'axe 17 et correspondant au cône 60 de vaporisation et, de part et d'autre du cône 60, un lobe secondaire formant la chicane. La chicane permet de mélanger et d'allonger le temps de parcours des gaz d'échappement lors de leur traversée du mélangeur 30. [0046] Le mélangeur 30 est fixé à l'enveloppe 54 par l'intermédiaire d'ailettes 64 représentées ici par une zone hachurée. Ces ailettes 64, en plus de remplir la fonction de fixation du mélangeur 30 sur l'enveloppe 54 sont conformées pour améliorer l'homogénéisation du mélange entre les gaz d'échappement et le fluide vaporisé. Typiquement, ces ailettes 64 sont positionnées entre la surface du déflecteur 50 la plus proche de l'enveloppe 54 et l'enveloppe 54. [0047] Le déflecteur 30 est par exemple réalisé par emboutissage ou fluotournage d'une même plaque métallique. [0048] Le fonctionnement du dispositif 16 est le suivant. Les gaz d'échappement traversent le catalyseur d'oxydation 18 dans lequel les monoxydes de carbone et les hydrocarbures non brûlés sont réduits ou éliminés. Ensuite, les gaz d'échappement sont concentrés dans la section rectiligne 24 par le rétreint 22. L'écoulement des gaz d'échappement en regard du rétreint 22 et de la section rectiligne 24 sont ici représentés par des flèches, respectivement, 70 et 72. Dans la section rectiligne 24, le fluide formant le précurseur est injecté sous forme liquide au niveau du point 40 en vis-à-vis du cône de vaporisation 60. Les gaz d'échappement qui s'écoulent dans la section 24 projettent alors ce fluide sur le cône de vaporisation 60. Ce cône de vaporisation 60 étant chauffé par les gaz d'échappement, permet donc la vaporisation du fluide à l'entrée du parcours 52. Le fluide ainsi vaporisé et les gaz d'échappement suivent alors le parcours 52 qui les rapproche de la périphérie intérieure de l'enveloppe 54. Cela augmente donc le temps de parcours nécessaire pour traverser le mélangeur 30 et permet donc au précurseur vaporisé de se décomposer en réducteur. De plus, le parcours 52 mélange le précurseur vaporisé avec les gaz d'échappement. [0049] Au-delà du point B, le déflecteur 50 définit un parcours 74 pour le mélange des gaz d'échappement et le précurseur vaporisé qui dirige au moins une partie de ce mélange en direction de l'axe 17. Dès lors, le mélange se répartit sensiblement uniformément sur la surface du pain comportant le catalyseur RCS. Ensuite, dans le catalyseur RCS, les dioxydes d'azote réagissent avec le réducteur pour être réduits sous forme d'azote. L'azote est ensuite expulsé par l'intermédiaire de la canalisation 44. [0050] De nombreuses autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, le catalyseur RCS peut être déposé non pas sur un pain de réactif mais sur les parois d'un filtre à particule destiné, par ailleurs, à retenir la suie présente dans les gaz d'échappement, voire même ce catalyseur RCS peut être remplacé par un unique filtre à particule, l'injection étant alors une injection de carburant assurant l'exotherme permettant le nettoyage du filtre. [0051] Le filtre à particule peut également être disposé en aval de la chambre 26. [0052] Un catalyseur d'oxydation de NH3 (à base de métaux précieux disposés sur des oxydes) peut être placé en aval du catalyseur RCS pour prévenir toute surémission de NH3 en phase de fonctionnement. [0053] Le réducteur peut également être un hydrocarbure ou une espèce hydrocarbonée partiellement oxydée (CNHyOZ), spécialement dédiée, injectée à partir d'un réservoir embarqué à bord du véhicule. [0054] Le catalyseur RCS peut également être combiné à un réacteur à ionisation des gaz d'un type connu en lui-même (dit aussi réacteur plasma non- thermique ).

Un tel réacteur permet de favoriser la formation de NO2 dans un domaine de basse température, ce qui a pour effet d'activer la réaction de réduction des NON. [0055] Le mélangeur décrit ici peut également être utilisé pour mélanger tout type de fluide. Par exemple, il peut être utilisé pour mélanger un carburant tel que du gasoil injecté en post-injection. Dans ce dernier cas, le mélangeur est placé immédiatement en amont d'un filtre à particule par exemple. [0056] Le déflecteur a été ici décrit dans le cas particulier où il est réalisé à partir d'une seule plaque de métal. Toutefois, le déflecteur peut être formé de plusieurs parties mécaniquement raccordées les unes aux autres sans aucun degré de liberté.

Claims

REVENDICATIONS1. Mélangeur de ligne d'échappement comprenant un déflecteur (50) conformé pour guider les gaz d'échappement le long d'un parcours (52) qui les rapproche de la périphérie intérieure de la ligne d'échappement, caractérisé en ce que la longueur développée de ce déflecteur le long dudit parcours est supérieure ou égale à la moitié de la plus grande dimension transversale de ladite périphérie intérieure.
2. Mélangeur selon la revendication 1, dans lequel le mélangeur comprend au moins un cône (60) de vaporisation apte à recevoir un fluide injecté sous forme liquide et à le vaporiser à l'entrée dudit parcours.
3. Mélangeur selon la revendication 2, dans lequel la partie du déflecteur (50) située à l'entrée dudit parcours (52) forme également le cône (60) de vaporisation.
4. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'extrémité libre du déflecteur (50) est tournée vers un axe central (17) de la ligne d'échappement pour ramener une partie des gaz d'échappement vers le centre de la ligne d'échappement.
5. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le cône (60) de vaporisation et le déflecteur (50) sont obtenus par emboutissage ou fluotournage d'une même plaque métallique.
6. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélangeur comprend, en plus du déflecteur, des ailettes (64) pour homogénéiser le mélange du fluide et des gaz d'échappement.
7. Ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, caractérisée en ce qu'elle comprend un mélangeur (30) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
8. Ligne selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un rétreint (22) débouchant directement sur le mélangeur.
9. Ligne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend immédiatement placé en aval du mélangeur (30) dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un catalyseur RCS (28) (Réduction Catalytique Sélective) pour réduire les oxydes d'azote en azote ou un filtre à particules (28).
10. Véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion dont la ligne d'échappement est conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 9.