FR3102800A1 - Ligne d’échappement de moteur à combustion interne équipée d’un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote et d’éléments évaporateurs d’urée - Google Patents

Ligne d’échappement de moteur à combustion interne équipée d’un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote et d’éléments évaporateurs d’urée Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un conduit d’échappement (1) de moteur à combustion interne, présentant un axe principal I. Ce conduit (1) est délimité radialement par une paroi latérale (10) et comprend : - une ouverture axiale (2) située face à une entrée de fluide (31) d’un catalyseur (3) de réduction sélective des oxydes d’azote, - un orifice d’injection d’urée (4) situé en amont de l’ouverture axiale (2) et réalisé sur une première partie (11) de la paroi latérale (10), et - au moins deux éléments évaporateurs (5, 51, 52, 53) disposés entre l’orifice d’injection (4) et l’ouverture axiale (2), Selon l’invention, les éléments évaporateurs (5, 51, 52, 53) sont espacés l’un de l’autre, inclinés par rapport à l’axe principal I vers la première partie (11) de la paroi latérale, et décalés à la fois axialement et radialement l’un par rapport à l’autre. (Figure de l’abrégé : Fig.4)

Description

Ligne d’échappement de moteur à combustion interne équipée d’un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote et d’éléments évaporateurs d’urée
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un conduit d’échappement placé en amont d’un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote et comprenant des éléments évaporateurs d’urée permettant un mélange homogène de gaz d’échappement et d’ammoniac (NH3).
Arrière-plan technique
Dans le domaine automobile, les normes anti-pollution deviennent de plus en plus strictes vis-à-vis de l’émission des gaz polluants. En particulier, pour les moteurs à allumage par compression (Diesel), la quantité des oxydes d’azote (NOx) émise par le moteur doit rester en dessous d’un seuil imposé qui ne cesse de baisser.
Afin de répondre à cette obligation, des dispositifs de dépollution sont installés dans la ligne d’échappement du véhicule pour traiter des gaz d’échappement générés après la combustion du moteur. A titre d’exemple, on utilise des catalyseurs de réduction sélective des oxydes d’azote (NOx) encore appelés « catalyseurs SCR » (acronyme de Selective Catalytic Reduction en anglais). Grâce à des oxydes métalliques imprégnés sur un support, le catalyseur SCR transforme les oxydes d’azote (NOx) présents dans les gaz d’échappement en composants inoffensives, à savoir en nitrogène (N2) et en eau (H20).
La réaction de transformation des oxydes d’azote nécessite de l’ammoniac (NH3) qui est apporté par l’évaporation de l’urée. Le composé d’urée le plus utilisé dans les catalyseurs SCR est connu sous le nom de la marque Adblue®. L’urée est injectée dans la ligne d’échappement par un injecteur situé en amont du catalyseur SCR. Ainsi, les gaz d’échappement sont mélangés avec de l’ammoniac avant de rentrer dans le catalyseur SCR. La réaction de réduction a lieu dans le catalyseur SCR avec l’aide des oxydes métalliques servant de catalyseurs.
Afin d’avoir une bonne efficacité de la réaction de réduction des oxydes d’azote, il est nécessaire que l’évaporation de l’urée soit complète et que le mélange de gaz d’échappement et d’ammoniac soit homogène.
Cependant, à cause des contraintes d’implantation de la ligne d’échappement, la distance entre l’injecteur d’urée et le catalyseur SCR est relativement courte, ce qui ne permet pas une évaporation complète de l’urée et un mélange homogène de gaz d’échappement et d’ammoniac.
Pour surmonter ce problème, dans l’état de la technique, on peut disposer des ailettes dans la zone entre le point d’injection d’urée et le catalyseur SCR de manière à mieux brasser le mélange de gaz d’échappement et d’ammoniac. Par exemple, les ailettes sont fixées à la face interne de la paroi latérale du conduit et arrangées de manière hélicoïdale.
Toutefois, ces ailettes restent encore perfectibles, car l’arrangement des ailettes cause des pertes de charge importantes du fluide s’écoulant dans le conduit de la ligne d’échappement.
Compte tenu de ce qui précède, un objectif de l’invention est de proposer une conception permettant à la fois de faire évaporer efficacement l’urée injectée dans la ligne d’échappement et de mélanger de manière homogène des gaz d’échappement avec de l’ammoniac en amont du catalyseur, tout en ayant un impact assez réduit sur les pertes de charges.
Avec ces objectifs en vue, l’invention propose un conduit d’échappement de moteur à combustion interne, présentant un axe principal I. Ledit conduit est délimité radialement par une paroi latérale et comprend :
- une ouverture axiale destinée à être disposée face à une entrée de fluide d’un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote,
- un orifice d’injection d’urée situé en amont de l’ouverture axiale et réalisé sur une première partie de la paroi latérale, et
- au moins deux éléments évaporateurs disposés entre l’orifice d’injection et l’ouverture axiale.
Selon l’invention, les éléments évaporateurs sont espacés l’un de l’autre, inclinés par rapport à l’axe principal I vers la première partie de la paroi latérale, et décalés à la fois axialement et radialement l’un par rapport à l’autre.
L’invention permet d’obtenir une évaporation efficace de l’urée injectée dans le conduit d’échappement et un mélange homogène des gaz d’échappement avec de l’ammoniac obtenu à partir de l’évaporation de l’urée.
En effet, les éléments évaporateurs ainsi disposés comprennent au moins une face sécante de la direction d’injection selon laquelle l’urée est introduite dans le conduit. Par conséquent, une fois injectée dans le conduit, au moins une partie d’urée va au contact directement avec les éléments évaporateurs. Ces derniers, étant chauffés par température interne du conduit, font évaporer rapidement l’urée afin de former de l’ammoniac (NH3) sous forme gazeuse.
Par définition, les éléments évaporateurs sont réalisés en un matériau thermiquement conducteur et résistants à des températures élevées allant jusqu’à 800°C.
De plus, les éléments évaporateurs sont espacés l’un de l’autre et forment ainsi un couloir d’écoulement de fluide entre ces éléments évaporateurs. Une partie de gaz d’échappement venant de l’amont de la ligne d’échappement circule dans ce couloir et elle est mélangée avec l’ammoniac (NH3) formé à partir de l’évaporation de l’urée.
Par ailleurs, les éléments évaporateurs, ainsi disposés s’étendent selon le sens d’écoulement des gaz d’échappement. De cette manière, le couloir délimité entre deux éléments évaporateurs adjacents s’étend également dans le sens d’écoulement des gaz d’échappement. Cet arrangement évite donc de perturber l’écoulement des gaz d’échappement et réduit au minimum les pertes de charges.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention qui peuvent être utilisées séparément ou en combinaison partielle entre elles ou en combinaison totale entre elles :
- les éléments évaporateurs sont des plaques planes ; ainsi, les plaques sont simples à fabriquer et à implanter dans le conduit d’échappement ; la surface plane des plaques évaporatrices guide le flux de gaz d’échappement mélangé avec de l’ammoniac, tout en conservant la vitesse d’écoulement du flux ;
- alternativement, les éléments évaporateurs peuvent avoir des surfaces non-planes, notamment des surfaces ondulées ou des surfaces courbées agencées de manière à réorienter l’écoulement des gaz pour un meilleur mélange;
- les éléments évaporateurs sont fixés directement à la paroi latérale du conduit ; à titre d’exemple, les éléments évaporateurs peuvent être soudés directement à la face interne de la paroi latérale du conduit ;
- selon un autre exemple, les éléments évaporateurs sont fixées à un anneau emmanché dans le conduit, l’anneau étant situé entre l’orifice d’injection et l’entrée de fluide ; il s’agit donc une fixation indirecte des éléments évaporateurs au conduit ; ceci permet de faciliter l’entretien et le remplacement des éléments évaporateurs ; en effet, il suffit d’enlever l’anneau du conduit et de nettoyer les éléments évaporateurs ; dans le cas du l’usure de ces éléments, l’anneau usé sera remplacé par un nouvel anneau sans avoir à remplacer le conduit ;
- les éléments évaporateurs sont inclinés par rapport à l’axe principal I d’un même angle α ; en d’autres termes, les éléments évaporateurs sont parallèles l’un par rapport à l’autre ; ceci permet de faciliter le montage des éléments évaporateurs dans le conduit ;
- alternativement, les éléments évaporateurs sont inclinés vers le même côté du conduit tout en ayant chacun un angle d’inclinaison différent ;
- selon les deux alinéas précédents, l’angle d’inclinaison α est compris entre 30° et 60° ; cette fourchette optimale de valeurs d’angle d’inclinaison permet de réduire au minimum les pertes de charges ;
- selon un exemple de réalisation, les éléments évaporateurs présentent la même épaisseur, leur forme dépendant de leur positionnement dans le conduit, qui est généralement de forme cylindrique et peut conduire à des découpes différentes des éléments
- le conduit d’échappement comprend entre trois et cinq éléments évaporateurs ; ce nombre d’éléments évaporateurs permet d’améliorer davantage l’évaporation de l’urée et l’homogénéité du mélange de gaz d’échappement et d’ammoniac.
Un deuxième objet de l’invention concerne une ligne d’échappement comprenant un conduit d’échappement selon l’invention. Un troisième objet de l’invention concerne un véhicule automobile comprenant une ligne d’échappement selon l’invention.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
– la figure 1 est une vue de côté d’une portion de ligne d’échappement selon un exemple de réalisation selon l’invention ;
– la figure 2 est une vue en perspective et une vue de coupe selon un plan axial de la portion de la figure 1 ;
– la figure 3 est une vue en plan et schématique selon un plan axial de la portion de la figure 1 ;
- la figure 4 est identique à la figure 3 et comprend des indications de dimensions de différents éléments de la portion de la figure 1 ;
– la figure 5 est un graphique illustrant les pertes de charge dans le conduit d’échappement de la figure 1 et dans un conduit d’échappement de l’état de la technique ; et
- la figure 6 est un graphique illustrant le degré d’homogénéité du mélange de gaz d’échappement et d’ammoniac dans le conduit d’échappement de la figure 1 et dans le conduit d’échappement de l’état de la technique.
Description détaillée de l'invention
Pour la description de l'invention et la compréhension des revendications, on adoptera à titre non limitatif et sans référence limitative à la gravité terrestre les orientations verticale, longitudinale et transversale selon le repère général (R)-V, L, T indiqué aux figures dont les axes longitudinal L et transversal T s’étendent dans un plan horizontal.
Dans la description qui va suivre, les termes « haut » et « bas », « supérieure » et « inférieure », ainsi que leur dérivée, sont définis par rapport à l’axe vertical V et correspondent respectivement au haut et au bas de figures 1 à 4. Les termes « gauche » et « droit », ainsi que leur dérivés, correspondent respectivement à la gauche et à la droite des figures 1 à 4.
En référence à la figure 1, un cylindre creux à base circulaire forme un conduit d’échappement 1, centré autour d’un axe principal de conduit I. L’axe principal de conduit I est parallèle à l’axe longitudinal L et orienté selon le sens d’écoulement du gaz d’échappement dans le conduit 1 de l’amont vers l’aval. Le sens d’écoulement du gaz d’échappement est illustré par la flèche F sur la figure 1.
Le conduit d’échappement 1 est raccordé à un catalyseur de réduction sélective de oxydes d’azote, ci-après appelé catalyseur SCR 3. Le gaz d’échappement circulant dans le conduit 1 est amené dans le catalyseur SCR 3.
Ici, le conduit d’échappement 1 est délimité radialement par une paroi latérale 10.
Le conduit d’échappement 1 comprend un premier tronçon tubulaire 21 suivi d’un deuxième tronçon tronconique 22. Le deuxième tronçon tronconique 22 comprend une ouverture axiale 2 qui est ici située au niveau d’une extrémité axiale du deuxième tronçon. L’ouverture axiale 2 reçoit une partie amont du catalyseur 3 comprenant une entrée de fluide 31, visible sur les figures 2 à 4.
Le conduit d’échappement 1 comprend en outre un support 41 pour un injecteur d’urée, situé en amont de l’ouverture axiale 2. Dans cet exemple le support 41 est réalisé intégralement avec le premier tronçon tubulaire 21. Le support 41 débouche dans le premier tronçon 21 via un orifice d’injection d’urée 4. Ainsi, l’urée injectée entre dans le conduit d’échappement 1 par l’orifice d’injection 4.
L’orifice d’injection 4 est réalisé sur une première partie 11 de la paroi latérale 10. Par rapport à la position du conduit d’échappement telle qu’illustré sur les figures 1 à 4, la première partie 11 est la partie supérieure opposée à une partie inférieure 12.
Sur la figure 2, des éléments évaporateurs 5 sont disposés à l’intérieur du conduit d’échappement 1, ici dans le premier tronçon 21 et en aval de l’orifice d’injection 4. Dans l’exemple illustré, les éléments évaporateurs 5 sont au nombre de trois, à savoir le premier élément évaporateur 51, le deuxième élément évaporateur 52 et le troisième élément évaporateur 53. Ces éléments sont ici en forme de plaque plane.
Par ailleurs, les éléments évaporateurs 5 présentent une largeur égale au diamètre du conduit I. La largeur est la dimension mesurée selon la direction transversale T.
Les éléments évaporateurs sont fixés directement à la paroi latérale du premier tronçon 21. Par exemple, pour chaque élément évaporateur, les deux bords opposés transversalement sont soudés à la paroi latérale du conduit par une opération de soudage. Précisément, chaque bord est soudé à la partie de la paroi latérale faisant face audit bord.
Sur les figures 3 et 4, on peut mieux voir la disposition des éléments évaporateurs 5 dans le conduit d’échappement 1.
Les éléments évaporateurs 5 sont tous inclinés par rapport à l’axe principal I et orientés vers la première partie 11 de la paroi latérale 10, où est situé l’orifice d’injection 4. Dans l’exemple illustré, les éléments évaporateurs 5 sont inclinés d’un même angle α par rapport à l’axe principal I. Autrement dit, ces éléments sont parallèles les uns par rapport aux autres.
En outre, les éléments évaporateur 5 sont décalés à la fois axialement et radialement les uns par rapport aux autres, tout en respectant le parallélisme entre eux. Ce double décalage axial et radial entre les éléments évaporateurs peut être illustré par un vecteur dans un plan vertical passant par l’axe principal I telle qu’illustré sur la figure 4.
Le vecteur est défini par rapport au premier axe x et un deuxième y d’un repère local R1. Celui a pour point d’origine O le centre d’un orifice circulaire 41 du support 4 recevant la sonde de l’injecteur d’urée. Le point d’origine O est également considéré comment le point de départ du faisceau B d’urée injectée. Ici, le point d’origine O est à une distance L par rapport à l’entrée 31 du catalyseur SCR 3.
Dans le repère local R1, le premier axe x est orienté de manière identique à l’axe longitudinal du repère général R alors que le deuxième axe y est parallèle à l’axe vertical V mais orienté dans le sens opposé à celui-ci.
Le vecteur forme un angle β avec le deuxième axe y.
La disposition des éléments évaporateurs les uns par rapport aux autres est telle que le vecteur passe par les centres de gravité A, B, et C des premier, deuxième et troisième éléments évaporateurs 51 à 53.
La disposition particulière des éléments évaporateurs est encore définie par la position du point de départ de l’ensemble des éléments évaporateurs. Ce point de départ est le point situé le plus proche du point d’origine O. Ici, ce point de départ est l’extrémité amont 511 du premier élément évaporateur 51. Cette extrémité amont 511 est positionnée à une distance X1 du point d’origine O dans la direction longitudinale L et à une distance Y1 de la première partie 11 supérieure de la paroi latérale 10 dans la direction verticale V.
Ainsi, un homme du métier peut agencer les éléments évaporateurs 5 selon l’esprit de l’invention en partant des caractéristiques du vecteur , de l’écart entre les éléments évaporateurs, et du point de départ de l’ensemble des éléments évaporateurs 5.
Le tableau ci-après contient les fourchettes de valeurs des paramètres géométriques définissant les éléments évaporateurs ainsi que leur disposition.
Fourchette préconisée Valeur dans l’exemple
0.4 – 0.6 x 0.5 x
0.8 – 1.0 x 1 x
0.35 – 0.65 x 0.5 x
30° - 60° 45°
0.9 - 1.1 x Arctan ( ) 1.0 x Arctan ( )
3 - 5 4
N est le nombre d’éléments évaporateurs présents dans le conduit d’échappement. L1 est la longueur des éléments évaporateurs. D est le diamètre du conduit d’échappement.
L’efficacité du conduit d’échappement 1 décrit précédemment a été prouvée par les mesures réalisées par la Demanderesse. Précisément, ces mesures ont montré que le conduit d’échappement 1 est plus efficace que le conduit de l’état de la technique en ce qui concerne l’homogénéité du mélange de gaz d’échappement et d’ammoniac et la réduction des pertes de charge.
Ici, le conduit d’échappement de l’état de la technique et le conduit d’échappement 1 selon l’invention présentent les mêmes dimensions. La différence principale entre les deux conduits est dans la disposition des éléments évaporateurs.
En effet, le conduit d’échappement de l’état de la technique comprend des ailettes disposées en hélice sur la face interne de la paroi latérale du conduit. De l’autre côté, le conduit d’échappement 1 comprend les éléments évaporateurs 51 à 53 décrits plus haut. Ce conduit 1 présente un diamètre D de 90 mm. De plus, dans ce conduit, le support 4 est positionné de sorte que la distance axiale L entre le point d’origine O et l’entrée 31 du catalyseur 3 soit de 200 mm.
Le résultat des mesures est affiché sur les graphiques de la figure 5 et de la figure 6.
La figure 5 présente les pertes de charge mesurées dans le conduit d’échappement 1 et dans le conduit d’échappement de la technique. Les pertes de charge sont la différence entre la pression du gaz d’échappement en amont et la pression du gaz d’échappement en aval des éléments évaporateurs.
Les pertes de charges sont calculées par la formule suivante :
Ici, la pression du gaz d’échappement en amont des éléments évaporateurs Ptot(entree) est mesurée au niveau d’une entrée 13 du conduit d’échappement 1. La pression du gaz d’échappement en aval des éléments évaporateurs Ptot(sortie) est mesurée au niveau de l’ouverture axiale 2 formant la sortie du conduit d’échappement 1.
Les mêmes mesures aux mêmes endroits sont effectuées avec le conduit de l’état de la technique.
Le graphique de la figure 5 est un diagramme en colonnes simples dans lequel l’axe des ordonnées représente les pertes de charge en millibar. La colonne en gris clair représente la mesure du conduit d’échappement de l’état de la technique tandis que la colonne en noir représente la mesure du conduit d’échappement 1 selon l’invention et décrit plus haut.
A travers de graphique, on constate qu’il y a beaucoup moins de pertes de charge dans le conduit d’échappement 1. Cela signifie que les éléments évaporateurs 5 perturbent moins l’écoulement du gaz d’échappement au sein du conduit d’échappement 1 que par rapport à ceux de l’état de la technique.
Le graphique de la figure 6 est un autre diagramme en colonnes simples estimant le degré d’homogénéité du mélange de gaz d’échappement et d’ammoniac. Ce paramètre est encore désigné par le terme « arrosage » dans le vocabulaire de l’homme du métier.
De la même manière que sur la figure 5, la colonne en gris clair représente la mesure du conduit d’échappement de l’état de la technique tandis que la colonne en noir représente la mesure du conduit d’échappement 1 selon l’invention et décrit plus haut.
Le degré d’homogénéité est calculé selon la formule suivante :
dans laquelle S désigne la surface d’entrée du catalyseur SCR,
[NH3] étant la concentration en ammoniac en un point de la surface,
et [NH3]mean étant la concentration moyenne d’ammoniac sur la surface S (entrée monolithe).
La fourchette de valeurs du degré d’homogénéité va de 0 à 1. Lorsque le degré d’homogénéité est égal à 0, on considère que l’ammoniac n’est pas du tout mélangé avec le gaz d’échappement. Au contraire, lorsque le degré d’homogénéité est égal à 1, le mélange est considéré comme parfaitement homogène.
Sur le graphique de la figure 6, on constate que le conduit d’échappement 1 selon l’invention atteint un degré d’homogénéité du mélange supérieure à celui du conduit d’échappement de l’état de la technique. Ceci montre que le mélange est amélioré grâce aux éléments évaporateurs 5 disposés selon la manière décrite plus haut.

Claims (9)

  1. Conduit d’échappement (1) de moteur à combustion interne, présentant un axe principal I, ledit conduit (1) étant délimité radialement par une paroi latérale (10) et comprenant :
    - une ouverture axiale (2) destinée à être disposée face à une entrée de fluide (31) d’un catalyseur (3) de réduction sélective des oxydes d’azote,
    - un orifice d’injection d’urée (4) situé en amont de l’ouverture axiale (2) et réalisé sur une première partie (11) de la paroi latérale (10), et
    - au moins deux éléments évaporateurs (5, 51, 52, 53) disposés entre l’orifice d’injection (4) et l’ouverture axiale (2),
    le conduit d’échappement (1) étant caractérisé en ce que les éléments évaporateurs (5, 51, 52, 53) sont espacés l’un de l’autre, inclinés par rapport à l’axe principal I vers la première partie (11) de la paroi latérale, et décalés à la fois axialement et radialement l’un par rapport à l’autre .
  2. Conduit d’échappement (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments évaporateurs (5, 51, 52, 53) sont des plaques planes.
  3. Conduit d’échappement (1) selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments évaporateurs (5, 51, 52, 53) sont fixés directement à la paroi latérale du conduit.
  4. Conduit d’échappement selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments évaporateurs sont fixées à un anneau emmanché dans le conduit, l’anneau étant situé entre l’orifice d’injection et l’entrée de fluide.
  5. Conduit d’échappement (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments évaporateurs (5, 51, 52, 53) sont inclinés par rapport à l’axe principal I d’un même angle α.
  6. Conduit d’échappement (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’angle α est compris entre 30° et 60°.
  7. Conduit d’échappement (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’elle comprend entre trois et cinq éléments évaporateurs.
  8. Ligne d’échappement comprenant un conduit d’échappement selon l’une des revendications précédentes.
  9. Véhicule automobile comprenant une ligne d’échappement selon la revendication précédente.
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