FR3111664A1 - Mélangeur de réducteur pour gaz d’échappement - Google Patents

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Abstract

Mélangeur de réducteur pour gaz d’échappement L’invention concerne un mélangeur (1) pour mélanger un gaz d’échappement et un réducteur, comprenant une boîte et un pulvérisateur de réducteur, le gaz d’échappement circulant dans la boîte depuis un orifice d’entrée (4) jusqu’à deux orifices de sortie (5) selon une circulation (C), le pulvérisateur pulvérisant le réducteur dans la circulation (C), la boîte comprenant une première chambre et une deuxième chambre, la première chambre s’étendant principalement selon un axe de pulvérisation (P) sensiblement parallèle à un plancher (7) et médiateur des deux orifices de sortie (5), étant fermée de manière étanche à l’exclusion de l’orifice d’entrée (4), d’un orifice de pulvérisation (6) et d’une fenêtre (10), la fenêtre (10) sortant de la première chambre (7) selon un axe de fenêtre (F) perpendiculaire au plancher (7), et la deuxième chambre (9) étant fermée de manière étanche à l’exclusion de la fenêtre (10) et des deux orifices de sortie (5). Figure pour l'abrégé : Figure 3

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, avec le 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’azote.
Il est connu différentes architectures de mélangeur, en fonction notamment des dispositions relatives de l’entrée, de la sortie et du pulvérisateur. L’optimisation d’un mélangeur comprend la création d’un canal de pulvérisation rectiligne, le plus long possible afin d’éviter au maximum de pulvériser contre une paroi trop proche au risque de créer un dépôt de réducteur sur ladite paroi, la disposition du pulvérisateur au plus près de l’entrée de gaz d’échappement et l’organisation d’une circulation la plus longue possible pour maximiser l’uniformité du mélange réducteur / gaz d’échappement. Tout ceci doit être réalisé en limitant les pertes de charge au minimum.
L’invention a pour objet un mélangeur pour mélanger un gaz d’échappement et un réducteur, comprenant une boîte et un pulvérisateur de réducteur, la boîte étant fermée de manière étanche à l’exclusion d’un orifice d’entrée, de deux orifices de sortie, et d’un orifice de pulvérisation, le gaz d’échappement circulant dans la boîte depuis l’orifice d’entrée jusqu’aux deux orifices de sortie selon une circulation, le pulvérisateur étant disposé de manière à pulvériser le réducteur via l’orifice de pulvérisation dans la circulation, où l’orifice d’entrée et les deux orifices de sortie sont situés dans un plancher sensiblement plan, l’orifice d’entrée entrant dans la boîte sensiblement perpendiculairement au plancher selon un premier sens, les orifices de sortie sortant de la boîte sensiblement perpendiculairement au plancher selon un deuxième sens, opposé au premier sens, et en ce que la boîte comprend une première chambre et une deuxième chambre, la première chambre s’étendant principalement selon un axe de pulvérisation sensiblement parallèle au plancher et médiateur des deux orifices de sortie, étant fermée de manière étanche à l’exclusion de l’orifice d’entrée, de l’orifice de pulvérisation et d’une fenêtre, l’orifice d’entrée étant disposé à une extrémité de la première chambre la plus éloignée des deux orifices de sortie, l’orifice de pulvérisation étant disposé à la même extrémité et aligné avec l’axe de pulvérisation, et la fenêtre étant disposée à l’autre extrémité de la première chambre, sortant de la première chambre selon un axe de fenêtre perpendiculaire au plancher et selon le premier sens, et la deuxième chambre étant fermée de manière étanche à l’exclusion de la fenêtre et des deux orifices de sortie.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- la fenêtre est disposée à distance d’un plan jonction, perpendiculaire au plancher et passant par les deux orifices de sortie,
- la première chambre comprend un déflecteur disposé au droit de la fenêtre, progressivement courbé, depuis une orientation sensiblement parallèle au plancher jusqu’à une orientation sensiblement parallèle au plan jonction, de manière à guider la circulation depuis l’axe de pulvérisation jusqu’à l’axe de fenêtre,
- le mélangeur est symétrique relativement à un plan médiateur des deux orifices de sortie,
- l’orifice d’entrée, respectivement chacun des orifices de sortie, est équipé d’une grille,
- la fenêtre comprend encore une extension en direction de chacune des sorties,
- la première chambre présente une longueur selon l’axe de pulvérisation, supérieure à sa largeur, préférentiellement avec un ratio au moins égal à 4,
- un premier couvercle forme, avec le plancher, la première chambre,
- un deuxième couvercle forme, avec le plancher, la deuxième chambre et enveloppe au moins partiellement la première chambre, préférentiellement totalement,
- la première chambre est élargie à proximité de la première extrémité autour de l’axe de pulvérisation et comprend un rentrant selon l’axe de pulvérisation portant le pulvérisateur, afin qu’il soit disposé plus en aval selon le sens de pulvérisation.
Dans 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,
montre, en vue perspective, le mélangeur de la , deuxième couvercle retiré,
montre, en vue perspective, le mélangeur de la , premier et deuxième couvercles retirés,
montre, en vue de dessus, le mélangeur de la , deuxième couvercle retiré,
montre, en vue perspective, un détail du mélangeur, autour de la fenêtre,
montre, en vue perspective coupée selon un plan médiateur des sorties, un mélangeur selon un autre mode de réalisation du deuxième couvercle.
En référence à la , un mélangeur 1 pour mélanger un gaz d’échappement et un réducteur selon l’invention, à l’instar de tout mélangeur, comprend une boîte 2 et un pulvérisateur de réducteur. La boîte 2 est fermée de manière étanche à l’exclusion d’un orifice d’entrée 4, d’au moins un orifice de sortie 5, et d’un orifice de pulvérisation 6. Le gaz d’échappement circule dans la boîte 2 depuis l’orifice d’entrée 4 jusqu’à l’au moins un orifice de sortie 5 selon une circulation C, le pulvérisateur étant disposé de manière à pulvériser le réducteur, via l’orifice de pulvérisation 6, dans la circulation C. Le pulvérisateur, non représenté sur les figures, est disposé au droit de l’orifice de pulvérisation 6, de manière à pulvériser dans la boîte 2.
Afin de réduire les pertes de charge, l’élément suivant le mélangeur, soit un catalyseur, est dédoublé, deux petits catalyseurs induisant moins de pertes de charges qu’un grand catalyseur, grâce à une section de passage plus importante. Aussi, le mélangeur 1 comprend avantageusement deux orifices de sortie 5.
Selon une caractéristique, un mélangeur 1 est construit sur la base d’un plancher 7 sensiblement plan. L’orifice d’entrée 4 et les deux orifices de sortie 5 sont percés dans ce plancher 7. L’orifice d’entrée 4 entre dans la boîte 2, sensiblement perpendiculairement au plancher 7, selon un premier sens, soit de bas en haut sur la figure. Les orifices de sortie 5 sortent de la boîte 2, sensiblement perpendiculairement au plancher 7, selon un deuxième sens, opposé au premier sens, soit de haut en bas sur la figure.
La boîte 2 comprend une première chambre 8 et une deuxième chambre 9.
La première chambre 8 est plus particulièrement visible en référence comparative aux figures 2 et 3. La première chambre 8 s’étend principalement selon un axe de pulvérisation P. Cet axe de pulvérisation P, passe par l’orifice de pulvérisation 6, est sensiblement parallèle au plancher 7 et est compris dans un plan médiateur des deux orifices de sortie 5. La première chambre 8 est fermée de manière étanche. Ses seules ouvertures sont l’orifice d’entrée 4, l’orifice de pulvérisation 6 et une fenêtre 10 qui lui tient lieu de sortie. L’orifice d’entrée 4 est disposé à une extrémité de la première chambre 8, l’extrémité la plus éloignée des deux orifices de sortie 5. L’orifice de pulvérisation 6 est disposé à cette même extrémité et est aligné avec l’axe de pulvérisation P. La fenêtre 10 est disposée à l’autre extrémité de la première chambre 8. La fenêtre 10 sort de la première chambre 8 selon un axe de fenêtre F perpendiculaire au plancher 7 et selon le premier sens, soit de bas en haut sur la figure. La première chambre 8 est formée par une partie du plancher 7 et par un premier couvercle 12.
La deuxième chambre 9 est plus particulièrement visible en référence comparative aux figures 1 et 2. La deuxième chambre 9 est fermée de manière étanche. Ses seules ouvertures sont la fenêtre 10, qui lui tient leu d’entrée, et les orifices de sortie 5. La deuxième chambre 9 est formée par la partie restante du plancher 7, au moins une partie externe du premier couvercle 12 et par un deuxième couvercle 13.
En référence à la , le gaz d’échappement entre dans la boîte 2 du mélangeur 1, dans la première chambre 8 par l’orifice d’entrée 4. Il est guidé par la forme de la première chambre 8 s’étendant selon l’axe de pulvérisation P. Il sort de la première chambre 8 par la fenêtre 10. Ceci est illustré par la circulation C, telle que visible dans sa première partie illustrée à la .
En référence à la , le gaz d’échappement entre dans la deuxième chambre 9 par la fenêtre 10. Le flot se divise pour rejoindre les deux orifices de sortie 5, situés de part et d’autre de la fenêtre 10. Ceci est illustré par la circulation C, telle que visible dans sa deuxième partie, illustrée à la .
En référence à la , selon une autre caractéristique, si l’on définit un plan, que l’on nomme plan de jonction, passant par les deux orifices de sortie 5 et perpendiculaire au plancher 7, la fenêtre 10 est avantageusement non alignée avec le plan jonction, dont elle se situe à une certaine distance. Un tel désaxage volontaire de la fenêtre 10 est avantageux en ce qu’il induit, tel qu’illustré par la circulation C en , un tourbillon au droit de chaque orifice de sortie 5. Un tel tourbillon est avantageux en ce qu’il augmente de manière importante la longueur de la circulation C et ainsi l’uniformité du mélange réducteur et gaz d’échappement.
Le désaxage, peut être tel que la fenêtre 10 soit en deçà ou au-delà, comme illustré, du plan jonction, avec un même effet tourbillonnant obtenu. Cependant, une disposition au-delà du plan de jonction est avantageuse en ce qu’elle allonge la première chambre 8 selon l’axe de pulvérisation P. Ceci est avantageux en ce que le jet pulvérisé dispose, selon l’axe de pulvérisation P, d’un canal plus long, réduisant ainsi les risques qu’il rencontre une paroi, au risque de venir s’y déposer sous forme liquide et risquer d’initier un dépôt solide.
Selon une autre caractéristique, plus particulièrement visible aux figures 2, 3 et en détail à la , la première chambre 8 comprend un déflecteur 11. Ce déflecteur 11 est disposé au droit de la fenêtre 10. Il est progressivement courbé, autour d’un axe parallèle à la droite joignant les deux sorties 5, depuis une orientation sensiblement parallèle au plancher 7 jusqu’à une orientation sensiblement parallèle au plan jonction. Le déflecteur 11 est apte à guider la circulation C depuis l’axe de pulvérisation P, qu’elle suivait depuis son entrée dans la première chambre 8 jusqu’à l’axe de fenêtre F, sensiblement perpendiculaire, lors de sa sortie de la première chambre 8.
Selon une autre caractéristique, le mélangeur 1 est symétrique relativement à un plan médiateur des deux orifices de sortie 5. Ceci permet avantageusement de symétriquement répartir le flot de gaz, mélange de gaz d’échappement et de réducteur, de manière équilibrée entre les deux orifices de sortie 5.
Selon une autre caractéristique, plus particulièrement visible à la , l’orifice d’entrée 4, respectivement chacun des orifices de sortie 5, est équipé d’une grille. Ceci permet avantageusement de répartir un flot traversant un tel orifice 4,5 sur sensiblement toute la section de passage disponible. Ladite grille peut encore être bombée à l’encontre du flot, tel qu’illustré pour l’orifice d’entrée 4, ou dans le sens du flot indifféremment. Ce bombé est avantageux pour augmenter la résistance structurelle et contribue à réduire les vibrations.
L’orientation de la fenêtre 10, dans une direction parallèle à la direction des orifices de sortie 5 mais dans un sens opposé, sur les figures le flot sort de la fenêtre 10 verticalement vers le haut et sort des orifices de sortie 5 verticalement vers le bas, permet d’allonger la circulation et contribue ainsi à améliorer le mélange.
Cependant, cette configuration peut entraîner des pertes de charge importantes. Afin de réduire ces pertes de charge, selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à la , la fenêtre 10 est élargie de manière à comprendre encore une extension 16, 17 en direction de chacune des sorties 5. Cette caractéristique permet avantageusement d’augmenter la section de passage de la fenêtre 10. Elle permet encore de simplifier la circulation C en réduisant l’angle de presque demi-tour que doit suivre la circulation C à la sortie de la fenêtre 10. Tel qu’illustrée à la une extension 16 peut élargir la fenêtre 10 en découpant la paroi latérale de la première chambre 8/du premier couvercle 12, en direction de l’orifice de sortie 5. L’extension peut être adjacente 16 à la fenêtre 10 qu’elle élargit ou peut être indépendante 17. Selon une autre caractéristique, une extension 17 peut encore être pratiquée sous le déflecteur 11. Ceci peut permettre d’évacuer un flot qui serait prisonnier de la première chambre 8 sous le déflecteur 11, du fait d’inévitables problèmes d’étanchéité entre le déflecteur 11 et le premier couvercle 12.
Comme décrit précédemment, il convient que le jet pulvérisé, dispose d’un espace libre selon l’axe de pulvérisation P suffisamment long pour que le réducteur ne vienne pas se déposer sur une paroi rencontrée par le jet. Aussi, selon une autre caractéristique, la première chambre 8 est plus longue, selon son axe de pulvérisation P, que large. Préférentiellement, le ratio longueur/largeur est supérieur ou égal à 4.
Avantageusement, l’architecture proposée par l’invention, permet de disposer une première chambre 8 s’étendant sur toute la largeur de la boîte 2 selon la direction de pulvérisation P, soit selon une direction sensiblement médiatrice des deux orifices de sortie 5.
Il a été vu que la boîte 2 du mélangeur 1 était construite sur un plancher 7 sensiblement plan. Une partie du plancher 7 sert de fond à la première chambre 8. Les autres parois de la première chambre 8 sont réalisées par un premier couvercle 12, sensiblement parallélépipédique à cinq faces. Le premier couvercle 12 vient se fixer avantageusement par soudure de sa bordure au plancher 7, qui forme la sixième face. La forme extérieure du premier couvercle 12 est plus particulièrement visible aux figures 2 et 4.
La deuxième chambre 9 est bordée par le reste du plancher 7. Un deuxième couvercle 13 définit le volume de la deuxième chambre 9. Il enveloppe au moins partiellement la première chambre 8. Le deuxième couvercle 13 vient se fixer, avantageusement par soudure au plancher 7 et le cas échéant au premier couvercle 12.
Selon un premier mode de réalisation, illustré à la figue 1, le deuxième couvercle 13 enveloppe partiellement la première chambre 8. La jonction du deuxième couvercle 13 sur le premier couvercle 12, nécessite une soudure 15. Alternativement, tel qu’illustré à la , selon un mode de réalisation préféré, le deuxième couvercle 13 enveloppe totalement le premier couvercle 12 et vient sur toute sa périphérie se fixer, avantageusement par soudure, au plancher 7. Ceci nécessite un deuxième couvercle 13 un peu plus grand. Avantageusement, cela permet de supprimer la soudure 15 avec le premier couvercle 12, au profit d’une soudure avec le plancher 7 nettement plus simple à réaliser.
Selon une autre caractéristique, plus particulièrement visible aux figures 1, 2 et 4, la première chambre 8 comprend un rentrant 14 selon l’axe de pulvérisation P. Ce rentrant 14, porte, par l’extérieur du premier couvercle 12, le pulvérisateur. Ainsi, l’orifice de pulvérisation 6 et le pulvérisateur se trouvent disposés un peu plus en aval selon le sens de la pulvérisation. Conjointement, la première chambre 8 est élargie à proximité de la première extrémité autour de l’axe de pulvérisation P. Ceci permet avantageusement au flot de gaz d’échappement, qui vient de rentrer dans la première chambre 8, d’investir les deux oreilles 18 entourant le rentrant 14. Ainsi, le flot de gaz d’échappement, en provenance des oreilles 18, rejoint le jet de réducteur pulvérisé, par son arrière, sensiblement aligné avec l’axe de pulvérisation P. Ceci réduit ou supprime une déviation du jet pulvérisé qui serait occasionnée par un flot de gaz d’échappement arrivant perpendiculairement. Ainsi, le jet pulvérisé parcourt une distance plus grande avant d’atteindre une paroi.
Avantageusement encore, le rentrant 14, en ce qu’il dégage un volume à l’extérieur de la première chambre 8 au droit de l’orifice de pulvérisation 6, permet d’accueillir le pulvérisateur dans le volume du mélangeur 1.
Selon le mode de réalisation où le deuxième couvercle 13 enveloppe totalement le premier couvercle 12, le deuxième couvercle 13 vient localement en contact avec le premier couvercle 12 au niveau de l’orifice de pulvérisation 6 et reproduit le rentrant 14 de telle manière à ce que le pulvérisateur soit installé à l’extérieur des deux chambres 8, 9 et pulvérise dans la première chambre 8.
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.
1 : mélangeur,
2 : boîte,
4 : orifice d’entrée,
5 : orifice de sortie,
6 : orifice de pulvérisation,
7 : plancher,
8 : première chambre,
9 : deuxième chambre,
10 : fenêtre,
11 : déflecteur,
12 : premier couvercle,
13 : deuxième couvercle,
14 : rentrant,
15 : soudure,
16 : extension,
17 : trou,
18 : oreille,
C : circulation,
F : axe de fenêtre,
P : axe de pulvérisation.

Claims (11)

  1. Mélangeur (1) pour mélanger un gaz d’échappement et un réducteur, comprenant une boîte (2) et un pulvérisateur de réducteur, la boîte (2) étant fermée de manière étanche à l’exclusion d’un orifice d’entrée (4), de deux orifices de sortie (5), et d’un orifice de pulvérisation (6), le gaz d’échappement circulant dans la boîte (2) depuis l’orifice d’entrée (4) jusqu’aux deux orifices de sortie (5) selon une circulation (C), le pulvérisateur étant disposé de manière à pulvériser le réducteur via l’orifice de pulvérisation (6) dans la circulation (C), caractérisé en ce que l’orifice d’entrée (4) et les deux orifices de sortie (5) sont situés dans un plancher (7) sensiblement plan, l’orifice d’entrée (4) entrant dans la boîte (2) sensiblement perpendiculairement au plancher (7) selon un premier sens, les orifices de sortie (5) sortant de la boîte (2) sensiblement perpendiculairement au plancher (7) selon un deuxième sens, opposé au premier sens, et en ce que la boîte (2) comprend une première chambre (8) et une deuxième chambre (9), la première chambre (8) s’étendant principalement selon un axe de pulvérisation (P) sensiblement parallèle au plancher (7) et médiateur des deux orifices de sortie (5), étant fermée de manière étanche à l’exclusion de l’orifice d’entrée (4), de l’orifice de pulvérisation (6) et d’une fenêtre (10), l’orifice d’entrée (4) étant disposé à une extrémité de la première chambre (8) la plus éloignée des deux orifices de sortie (5), l’orifice de pulvérisation (6) étant disposé à la même extrémité et aligné avec l’axe de pulvérisation (P), et la fenêtre (10) étant disposée à l’autre extrémité de la première chambre (8), sortant de la première chambre (7) selon un axe de fenêtre (F) perpendiculaire au plancher (7) et selon le premier sens, et la deuxième chambre (9) étant fermée de manière étanche à l’exclusion de la fenêtre (10) et des deux orifices de sortie (5).
  2. Mélangeur (1) selon la revendication précédente, où la fenêtre (10) est disposée à distance d’un plan jonction, perpendiculaire au plancher (7) et passant par les deux orifices de sortie (5).
  3. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où la première chambre (8) comprend un déflecteur (11) disposé au droit de la fenêtre (10), progressivement courbé, depuis une orientation sensiblement parallèle au plancher (7) jusqu’à une orientation sensiblement parallèle au plan jonction, de manière à guider la circulation (C) depuis l’axe de pulvérisation (P) jusqu’à l’axe de fenêtre (F).
  4. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, symétrique relativement à un plan médiateur des deux orifices de sortie (5).
  5. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’orifice d’entrée (4), respectivement chacun des orifices de sortie (5), est équipé d’une grille.
  6. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où la fenêtre (10) comprend encore une extension (16) en direction de chacune des sorties (5).
  7. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où la première chambre (8) présente une longueur selon l’axe de pulvérisation (P) supérieure à sa largeur, préférentiellement avec un ratio au moins égal à 4.
  8. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où un premier couvercle (12) forme, avec le plancher (7), la première chambre (8).
  9. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où un deuxième couvercle (13) forme, avec le plancher (7), la deuxième chambre (9) et enveloppe au moins partiellement la première chambre (8), préférentiellement totalement.
  10. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où la première chambre (8) est élargie à proximité de la première extrémité autour de l’axe de pulvérisation (P) et comprend un rentrant (14) selon l’axe de pulvérisation (P) portant le pulvérisateur, afin qu’il soit disposé plus en aval selon le sens de pulvérisation.
  11. Ligne d’échappement, caractérisée en ce qu’elle comprend un mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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