FR3137413A1

FR3137413A1 - Mélangeur de réducteur pour gaz d’échappement

Info

Publication number: FR3137413A1
Application number: FR2206653A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Vicaire; Laurent Poinsot; Sylvain Dhondt
Original assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Current assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-01-05

Abstract

Mélangeur de réducteur pour gaz d’échappement L’invention concerne un mélangeur (1), pour mélanger des gaz d’échappement avec un fluide réducteur, comprenant une canalisation (5-8) dans laquelle circule le gaz d’échappement, depuis une entrée (2) jusqu’à une sortie (3) et un pulvérisateur (4) pour pulvériser le fluide réducteur dans la circulation de gaz d’échappement, où la canalisation (5-8) comprend, de l’amont à l’aval, une conduite amont (5) reliant l’entrée (2) à une disjonction (9), au moins deux sous-conduites (6, 7) intermédiaires reliant la disjonction (9) à une jonction (10) et une conduite avale (8) reliant la jonction (10) à la sortie (3), où, à la jonction (10), les au moins deux sous-conduites (6, 7) sont agencées de manière à ce que la circulation de gaz d’échappement forme un tourbillon dans la conduite avale (8) et où le pulvérisateur (4) est disposé à la jonction (10) de manière à pulvériser dans la conduite avale (8), préférentiellement coaxialement. Figure pour l'abrégé : 1

Description

Mélangeur de réducteur pour gaz d’échappement

L’invention concerne un mélangeur de réducteur pour gaz d’échappement. Un tel mélangeur, est typiquement disposé dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne. Il a pour fonction de mélanger un fluide réducteur, classiquement de l’ammoniac ou une solution aqueuse d’urée : AUS 32, DEF, avec les gaz d’échappement, pour préparer le traitement du mélange par au moins un réducteur catalytique sélectif (en anglais : « selective catalytic reduction » ou SCR) afin de réduire les oxydes d’azotes.

Pour réaliser un tel mélangeur, il est typiquement construit une chambre de mélange fermée, de manière étanche, à l’exclusion d’un orifice d’entrée, d’un orifice de sortie et d’un orifice de pulvérisation. Les gaz d’échappement circulent au travers de la chambre de mélange, de l’orifice d’entrée jusqu’à l’orifice de sortie. Un pulvérisateur est disposé dans une paroi extérieure de la chambre de mélange, de manière à pulvériser le fluide réducteur, au travers de l’orifice de pulvérisation, dans la circulation de gaz d’échappement.

Deux problèmes sont classiquement rencontrés lors de la conception d’un tel mélangeur.

Premièrement, il convient d’optimiser un mélange intime du fluide réducteur avec les gaz d’échappement. Pour cela, il est généralement prévu d’augmenter au maximum la longueur du mélangeur de manière à d’augmenter le temps de circulation commun des deux composants : fluide réducteur et gaz d’échappement. Ceci est généralement difficile dans un environnement, moteur et/ou échappement, où l’espace est très contingenté.

Deuxièmement, il convient d’éviter une pulvérisation du fluide réducteur contre une paroi extérieure, donc froide, du mélangeur, au risque de former un film de fluide réducteur sur ladite paroi, précurseur d’un dépôt de fluide réducteur, très préjudiciable.

L’invention propose une nouvelle architecture de mélangeur, qui adresse, de manière particulièrement ingénieuse, ces deux problèmes.

Pour cela, l’invention a pour objet un mélangeur, pour mélanger du gaz d’échappement avec un fluide réducteur, comprenant une canalisation dans laquelle circulent les gaz d’échappement, depuis une entrée jusqu’à une sortie et un pulvérisateur pour pulvériser le fluide réducteur dans la circulation de gaz d’échappement, où la canalisation comprend, de l’amont à l’aval, une conduite amont reliant l’entrée à une disjonction, au moins deux sous-conduites intermédiaires reliant la disjonction à une jonction et une conduite avale reliant la jonction à la sortie, où, à la jonction, les au moins deux sous-conduites sont agencées de manière à ce que la circulation de gaz d’échappement forme un tourbillon dans la conduite avale et où le pulvérisateur est disposé à la jonction de manière à pulvériser dans la conduite avale, préférentiellement coaxialement.

Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :

- l’agencement des sous-conduites est réalisé par un décalage géométrique, les projections des axes des sous-conduites sur un plan perpendiculaire à l’axe de la conduite avale, préférentiellement les axes des sous-conduites eux-mêmes, ne passant pas par l’axe de la conduite avale,

- l’agencement des sous-conduites est obtenu par des courbures des sous-conduites à leur arrivée à la jonction,

- au moins à l’arrivée à la jonction, les projections des sous-conduites sur un plan perpendiculaire à l’axe de la conduite avale, préférentiellement les sous-conduites elles-mêmes, sont disposées de manière axisymétrique relativement à l’axe de la conduite avale,

- l’axe de la conduite avale est sensiblement aligné avec l’axe de la conduite amont,

- la conduite avale comprend un tube débouché, de section inférieure à la section de la conduite avale, préférentiellement perforé, disposé coaxialement dans la conduite avale,

- le tube comprend au moins une protubérance étendant axialement le tube en direction du pulvérisateur, ladite au moins une protubérance n’étant pas placée en face de l’arrivée d’une sous-conduite,

- les sections des sous-conduites sont identiques entre elles, préférentiellement sensiblement égales à la section de la conduite amont divisée par le nombre de sous-conduites,

- la section de la conduite avale est sensiblement égale ou supérieure à la section de la conduite amont.

Selon un deuxième aspect de l’invention, une ligne d’échappement comprenant un tel mélangeur.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :

montre, en vue perspective, un mélangeur selon l’invention,

montre, en vue perspective, le mélangeur de la selon un autre point de vue,

montre, schématiquement en vue selon l’axe de la conduite avale, un premier mode de décalage,

montre, schématiquement en vue selon l’axe de la conduite avale, un autre mode de décalage,

montre, en vue perspective, un détail du mélangeur de la figue 1, montrant, en transparence, un tube.

En référence à la , l’invention concerne un mélangeur 1. Un mélangeur 1 est destiné à mélanger un réducteur avec des gaz d’échappement. Un tel mélangeur, est typiquement disposé dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne. Il a pour fonction de mélanger un fluide réducteur, classiquement de l’ammoniac ou tout autre précurseur de l’ammoniac sous forme gazeuse ou liquide. Une solution courante est d’utiliser une solution aqueuse d’urée : AUS 32, encore dénommée DEF ou encore commercialement dénommée AdBlue®.

Le mélange de ce fluide réducteur avec les gaz d’échappement les prépare pour être traités par un réducteur catalytique sélectif (en anglais : « selective catalytic reduction » ou SCR) afin de réduire les oxydes d’azotes.

Pour réaliser un tel mélangeur 1, il est typiquement construit une chambre de mélange fermée, de manière étanche, à l’exclusion d’un orifice d’entrée 2, d’un orifice de sortie 3 et d’un orifice de pulvérisation. Les gaz d’échappement circulent au travers de la chambre de mélange, de l’orifice d’entrée 2 jusqu’à l’orifice de sortie 3. Un pulvérisateur 4 est disposé dans une paroi extérieure de la chambre de mélange, de manière à pulvériser le fluide réducteur, au travers de l’orifice de pulvérisation, dans la circulation de gaz d’échappement.

Le pulvérisateur 4 peut être un injecteur standard. Il peut encore être ou non chauffé, afin de préchauffer le fluide réducteur lors de sa pulvérisation.

Selon l’invention, le mélangeur 1 comprend une canalisation 5-8, formant la chambre de mélange, reliant l’orifice d’entrée 2 à l’orifice de sortie 3, dans laquelle circulent les gaz d’échappement. Le sens de circulation, de l’amont vers l’aval, correspond à un sens allant de l’entrée 2 jusqu’à la sortie 3. Le mélangeur 1 comprend encore un pulvérisateur 4 destiné à pulvériser le fluide réducteur dans la canalisation 5-8 et donc dans la circulation de gaz d’échappement.

Selon une caractéristique, la canalisation 5-8 comprend, successivement, de l’amont à l’aval, une conduite amont 5, au moins deux sous-conduites 6, 7 intermédiaires, et une conduite avale 8. La conduite amont 5 relie l’entrée 2 à une disjonction 9. Lesdites au moins deux sous-conduites 6, 7 intermédiaires relient la disjonction 9 à une jonction 10. La conduite avale 8 relie la jonction 10 à la sortie 3.

A la jonction 10, les au moins deux sous-conduites 6, 7 sont agencées de manière à ce que la circulation de gaz d’échappement forme un tourbillon dans la conduite avale 8. Du fait de l’agencement, détaillé plus avant, les au moins deux flux de gaz d’échappement, formés au niveau de la disjonction 9, se rencontrent au niveau de la jonction 10. L’agencement est tel que cette rencontre crée un tourbillon dans la conduite avale 8. De manière préférentielle, ce tourbillon est centré sur l’axe A de la conduite avale 8.

Le pulvérisateur 4 est disposé à la jonction 10 de manière à pulvériser dans la conduite avale 8. Ainsi le jet de fluide réducteur est avantageusement pulvérisé dans le tourbillon de gaz d’échappement. Ce tourbillon est très avantageux en ce qu’il crée un mouvement des gaz d’échappement augmentant le brassage des gaz d’échappement avec le fluide réducteur pulvérisé, améliorant ainsi nettement l’homogénéité du mélange gaz d’échappement / fluide réducteur. L’axe de pulvérisation du pulvérisateur 4 est préférentiellement coaxial avec l’axe A de la conduite avale 8, se confondant sensiblement avec l’axe du tourbillon.

L’agencement est destiné à créer une circulation tourbillonnante du flux de gaz d’échappement. Pour obtenir un tel tourbillon, toutes les méthodes sont possibles. Deux exemples sont ici donnés à titre indicatif.

Selon un premier mode de réalisation, plus particulièrement illustré à la , montrant un détail d’un mélangeur 1 selon l’axe A de la conduite avale 8, l’agencement des sous-conduites 6, 7 est réalisé par un décalage géométrique F entre les axes des sous-conduites 6, 7 et l’axe A de la conduite avale 8. Autrement dit, les projections des axes des sous-conduites 6, 7, sur un plan perpendiculaire à l’axe A de la conduite avale 8, ne passent pas par l’axe A de la conduite avale 8 et n’intersectent pas l’axe A de la conduite avale 8. Ce décalage géométrique F crée naturellement un « bras de levier » permettant d’appliquer un « couple » aux sous-flux de gaz d’échappement issus de chacune des sous-conduites 6, 7. Ceci est vrai en projection. Par ailleurs, selon un mode de réalisation préféré, ceci est encore vrai si les axes des sous-conduites 6, 7 eux-mêmes, ne passent pas par l’axe A de la conduite avale 8.

Selon un autre mode de réalisation, plus particulièrement illustré à la , montrant un détail d’un mélangeur 1 selon l’axe A de la conduite avale 8, l’agencement des sous-conduites 6, 7 est réalisé par des courbures des sous-conduites 6, 7 à, ou un peu avant, leur arrivée à la jonction 10. Il est entendu ici par « un peu avant » une longueur de sous-conduite 6, 7 inférieure à deux fois le diamètre de la sous-conduite 6, 7, préférentiellement inférieure à une fois le diamètre de la sous-conduite 6, 7 et encore préférentiellement inférieure à une demi fois le diamètre de la sous-conduite 6, 7. Une telle configuration permet de créer un écoulement non homogène, qui, lors de la rencontre des sous-flux de gaz d’échappement, va permettre de créer le tourbillon souhaité.

De manière évidente pour l’homme du métier il est possible de combiner ces deux modes de réalisation, en combinant une courbure des sous-conduites 6, 7 et un décalage géométrique F.

Afin d’optimiser les énergies arrivant au niveau de la jonction 10, en vue de créer un tourbillon homogène et préférentiellement centré sur l’axe A de la conduite avale 8, il est important que la configuration au niveau de la jonction 10 soit axisymétrique.

Aussi, selon une autre caractéristique, au moins à, ou un peu avant, l’arrivée à la jonction 10, les projections des sous-conduites 6, 7, sur un plan perpendiculaire à l’axe A de la conduite avale 8, sont disposées de manière axisymétrique relativement à l’axe A de la conduite avale 8.

Ceci est vrai en projection, et selon un mode de réalisation préféré, ceci est encore vrai si les sous-conduites 6, 7 elles-mêmes, sont disposés de manière axisymétrique relativement à l’axe A de la conduite avale 8.

Une telle caractéristique d’axisymétrie emporte que les sous-conduites 6, 7 présentent des formes, des sections sensiblement identiques. Ceci emporte encore que les sous-conduites 6, 7 sont, en projection ou per se, angulairement équiréparties autour de l’axe A de la conduite avale 8. Ainsi deux sous-conduites 6, 7 seront opposées en vis-à-vis, à 180°. Trois sous-conduites 6, 7 seront équiréparties, angulairement séparées de 120° selon une périodicité angulaire autour de l’axe A.

Tout ce qui a été décrit précédemment s’applique au moins en projection, parallèlement à l’axe A de la conduite avale 8, sur un plan perpendiculaire à l’axe A de la conduite avale 8. Cependant, plus la configuration est « régulière » et plus l’efficacité du tourbillon est grande.

Aussi, selon une configuration préférée, les axes des sous-conduites 6, 7 sont avantageusement disposés sur un cône d’axe confondu avec l’axe A de la conduite avale 8. Dans ce cas, le cône présente préférentiellement une ouverture faisant face à l’amont afin de faciliter les circulations depuis les sous-conduites 6, 7, vers la conduite avale 8.

Selon une autre caractéristique, les axes des sous-conduites 6, 7 sont coplanaires, préférentiellement dans un plan perpendiculaire à l’axe A de la conduite avale 8. Cette dernière caractéristique, avec un plan perpendiculaire à l’axe A, est incluse dans la précédente, en ce qu’elle correspond à un cône avec un angle d’ouverture de 180°.

Selon une autre caractéristique, l’axe A de la conduite avale 8 est sensiblement aligné avec l’axe de la conduite amont 5.

Selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à la , où la conduite avale 8 est représentée transparente, la conduite avale 8 comprend un tube 11. Ce tube 11 est débouché à ses deux extrémités de manière à permettre les circulations de gaz d’échappement, de fluide réducteur et de mélange des deux. La section du tube 11 est inférieure à la section de la conduite avale 8, afin que la paroi du tube 11 soit éloignée de la paroi de la conduite avale 8. Le rapport de la section du tube 11 à la section de la conduite avale 8 est avantageusement compris entre 40 et 80%. Le tube 11 est disposé coaxialement avec la conduite avale 8 et à l’intérieur de cette dernière. Le tube 11 est préférentiellement perforé.

Le tube 11 assure une double fonction. D’une part, il fait obstacle à une éventuelle projection de fluide réducteur en direction de la paroi interne, plus froide, de la conduite avale 8, et limite ainsi les risques de dépôts de fluide réducteur sur cette paroi interne. D’autre part, le tube 11 étant avantageusement disposé au sein de la circulation de gaz d’échappement, est chauffé par cette dernière. Aussi, une éventuelle projection de fluide réducteur sur le tube 11 est avantageusement vaporisée, du fait de cette chaleur, et un dépôt sur le tube 11 ne risque pas de se produire.

Il peut être noté qu’au niveau de l’entrée du tube 11, les parties du tube 11 en regard des arrivées des sous-conduites 6, 7 sont supprimées, afin de ne pas créer d’obstruction à la circulation des sous-flux issus des sous-conduites 6, 7.

Le tube 11 comprend au moins une protubérance 12 étendant axialement ledit tube 11 en direction du pulvérisateur 4. Ladite au moins une protubérance 12 n’est pas placée en vis-à-vis de la sortie des sous-conduites 6, 7.

Il a pu être observé, de manière inattendue, que cette au moins une protubérance 12 diminue la contre-pression de 20%. Ces résultats ont été obtenus par simulation. A l’instar du tube 11 lui-même, ladite au moins une protubérance 12 permet également de collecter une partie de la pulvérisation de réducteur sur le tube 11 et non sur la paroi interne de la conduite avale 8. Ceci est d’autant plus avantageux que la proximité entre ladite au moins une protubérance 12 et le pulvérisateur 4 est importante.

Selon une autre caractéristique, les sections des sous-conduites 6, 7 sont identiques entre elles, préférentiellement sensiblement égales à la section de la conduite amont 5 divisée par le nombre de sous-conduites 6, 7.

Selon une autre caractéristique, la section de la conduite avale 8 est sensiblement égale ou supérieure à la section de la conduite amont 5. Le flux de gaz d’échappement entrant, se retrouve à la sortie. Une section (légèrement) supérieure de la conduite avale 8 permet d’accommoder le volume, négligeable, occasionné par l’addition de fluide réducteur et surtout de ne pas créer davantage de perte de charges ou contre-pression.

L’invention concerne encore une ligne d’échappement comprenant un tel mélangeur 1.

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.

Claims

Mélangeur (1), pour mélanger des gaz d’échappement avec un fluide réducteur, comprenant une canalisation (5-8) dans laquelle circulent les gaz d’échappement, depuis une entrée (2) jusqu’à une sortie (3) et un pulvérisateur (4) pour pulvériser le fluide réducteur dans la circulation de gaz d’échappement, caractérisé en ce que , la canalisation (5-8) comprend, de l’amont à l’aval, une conduite amont (5) reliant l’entrée (2) à une disjonction (9), au moins deux sous-conduites (6, 7) intermédiaires reliant la disjonction (9) à une jonction (10) et une conduite avale (8) reliant la jonction (10) à la sortie (3), et en ce que, à la jonction (10), les au moins deux sous-conduites (6, 7) sont agencées de manière à ce que la circulation de gaz d’échappement forme un tourbillon dans la conduite avale (8) et en ce que le pulvérisateur (4) est disposé à la jonction (10) de manière à pulvériser dans la conduite avale (8), préférentiellement coaxialement.
Mélangeur (1) selon la revendication 1, où l’agencement des sous-conduites (6, 7) est réalisé par un décalage géométrique (F), les projections des axes des sous-conduites (6, 7), sur un plan perpendiculaire à l’axe (A) de la conduite avale (8), préférentiellement les axes des sous-conduites (6, 7) eux-mêmes, ne passant pas par l’axe (A) de la conduite avale (8).
Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, où l’agencement des sous-conduites (6, 7) est réalisé par des courbures des sous-conduites (6, 7) à, ou un peu avant, leur arrivée à la jonction (10).
Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, où, au moins à l’arrivée à la jonction (10), les projections des sous-conduites (6, 7) sur un plan perpendiculaire à l’axe (A) de la conduite avale (8), préférentiellement les sous-conduites (6, 7) elles-mêmes, sont disposées de manière axisymétrique relativement à l’axe (A) de la conduite avale (8).
Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, où l’axe (A) de la conduite avale (8) est sensiblement aligné avec l’axe de la conduite amont (5).
Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, où, la conduite avale (8) comprend un tube (11) débouché, de section inférieure à la section de la conduite avale (8), préférentiellement perforé, disposé coaxialement dans la conduite avale (8).
Mélangeur (1) selon la revendication précédente, où le tube (11) comprend au moins une protubérance (12) étendant axialement le tube (11) en direction du pulvérisateur (4), ladite au moins une protubérance n’étant pas placée en face de l’arrivée d’une sous-conduite (6, 7).
Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, où, les sections des sous-conduites (6, 7) sont identiques entre elles, préférentiellement sensiblement égales à la section de la conduite amont (5) divisée par le nombre de sous-conduites (6, 7).
Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, où la section de la conduite avale (8) est sensiblement égale ou supérieure à la section de la conduite amont (5).
Ligne d’échappement comprenant un mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.