FR3111826A1 - Dispositif de mélange d’un agent réducteur avec un gaz d’échappement, notamment pour une ligne d’échappement de moteur thermique - Google Patents
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Abstract
Dispositif de mélange d’un agent réducteur avec un gaz d’échappement, notamment pour une ligne d’échappement de moteur thermique
Le dispositif (10) de mélange comporte un boîtier (12) délimitant une chambre de mélange (14), le boîtier (12) s’étendant dans une direction longitudinale entre une ouverture (16) d’arrivée de gaz d’échappement et une ouverture (18) de sortie de gaz d’échappement, et au moins un dispositif (22) d’injection d’agent réducteur dans la chambre de mélange (14). Le dispositif de mélange (10) comporte une conduite (20) d’arrivée de gaz d’échappement, présentant une embouchure (24) débouchant dans la chambre de mélange (14) dans une direction débouchante (A) ayant une composante radiale.
Figure pour l'abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne un dispositif de mélange d’un agent réducteur avec un gaz d’échappement, notamment pour une ligne d’échappement de moteur thermique, par exemple pour un véhicule.
Plus particulièrement, l’invention est destinée à équiper une ligne d’échappement comprenant un catalyseur de type SCR (Selective Catalytic Reduction, ou Reduction Catalytique Sélective). Le dispositif de mélange est destiné à mélanger un agent réducteur d’oxydes d’azote et le gaz d’échappement, en amont du catalyseur.
Dans le cas d’un dispositif de mélange de véhicule automobile, l’agent réducteur est injecté au moyen d’un dispositif d’injection associé à un impacteur en regard, pour pulvériser les gouttelettes d’agent réducteur injectées contre cet impacteur.
Un tel impacteur implique toutefois un arrêt brutal de l’agent réducteur injecté, ce qui peut entraîner un dépôt d’agent réducteur sur cet impacteur et/ou les parois du dispositif de mélange.
L’invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient, en proposant un dispositif de mélange assurant un mélange optimal de l’agent réducteur avec le gaz d’échappement.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de mélange d’un agent réducteur avec un gaz d’échappement, notamment pour une ligne d’échappement de moteur thermique, comportant un boîtier délimitant une chambre de mélange, le boîtier s’étendant dans une direction longitudinale entre une ouverture d’arrivée de gaz d’échappement et une ouverture de sortie de gaz d’échappement, et au moins un dispositif d’injection d’agent réducteur dans la chambre de mélange, caractérisé en ce que le dispositif de mélange comporte une conduite d’arrivée de gaz d’échappement, présentant une embouchure débouchant dans la chambre de mélange dans une direction débouchante ayant une composante radiale.
Le dispositif de mélange selon l’invention permet de guider les gaz d’échappement selon une trajectoire hélicoïdale, formant un cyclone dans lequel est injecté l’agent réducteur.
Cette trajectoire en cyclone permet un mélange optimal de l’agent réducteur avec le gaz d’échappement, sans nécessiter d’impacteur associé au dispositif d’injection.
Par ailleurs, l’agent réducteur est réparti sur une plus grande surface, ce qui permet de limiter son refroidissement.
Un dispositif de mélange selon l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables.
- La chambre de mélange présente une section transversale décroissante selon la direction longitudinale, depuis un premier plan transversal, passant par l’embouchure de la conduite d’arrivée, dans lequel la chambre de mélange présente une section maximale, et un second plan transversal, passant par l’ouverture de sortie de gaz, dans lequel la chambre de mélange présente une section minimale.
- La section transversale de la chambre de mélange décroit de façon continue entre le premier plan transversal et le second plan transversal.
- Le dispositif d’injection est agencé pour injecter l’agent réducteur en aval de l’embouchure.
- La conduite d’arrivée comporte une partie d’extrémité, comportant l’embouchure, présentant une forme courbée ou au moins partiellement hélicoïdale.
- La conduite d’arrivée est sensiblement droite, au moins dans sa partie s’étendant dans la chambre de mélange, présente une ouverture latérale, et comporte, sur cette ouverture latérale, un organe de déviation présentant l’embouchure.
- La direction débouchante st sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale.
- La conduite d’arrivée de gaz est en contact avec une paroi intérieure du boîtier au niveau de son embouchure.
- Le dispositif de mélange comporte un organe de guidage des gaz d’échappement, conformé pour induire un entrainement des gaz en spirale, agencé de préférence en aval du dispositif d’injection.
L’invention concerne également une ligne d’échappement de moteur thermique, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif de mélange tel que défini précédemment.
L’invention concerne enfin un véhicule, comportant un moteur thermique et une ligne d’échappement de la ligne thermique, caractérisé en ce que la ligne d’échappement est telle que définie ci-dessus, le dispositif de mélange étant agencé en sous-plancher du véhicule.
Différents aspects et avantages de l’invention seront mis en lumière dans la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles :
Dans la présente description, l’amont et l’aval sont entendus relativement au sens de circulation normal du gaz d’échappement.
On a représenté, sur la Figure 1, un dispositif de mélange 10, notamment destiné à équiper une ligne d’échappement de moteur thermique, par exemple dans un véhicule. Le véhicule est par exemple un véhicule nautique, un véhicule ferroviaire, un engin de chantier, une voiture, un camion ou un deux-roues. Le moteur thermique peut également en variante équiper une installation fixe, par exemple un groupe électrogène.
Le dispositif de mélange 10 est de préférence agencé sous le capot moteur, ou en variante en sous-plancher du véhicule.
De manière classique, la ligne d’échappement comporte un collecteur, destiné à capter le gaz d’échappement provenant des chambres de combustion du moteur thermique.
La ligne d’échappement comporte par ailleurs un dispositif de purification du gaz d’échappement, comprenant un organe de purification du gaz d’échappement, en plus du dispositif de mélange 10. Dans le cas où le moteur est un moteur diesel, l’organe de purification est par exemple un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote connu sous le sigle SCR (de l’anglaisSélective Catalytique ReductionouRéduction Catalytique Sélective), ou en variante un filtre avec un revêtement SCR.
Le dispositif de mélange 10 est de préférence disposé immédiatement en amont de l’organe de purification. Il est dans ce cas prévu pour mélanger un agent réducteur d’oxyde d’azote avec le gaz d’échappement. L’agent réducteur peut être un ou des hydrocarbures, des espèces hydrocarbonées partiellement oxydées, de l’ammoniac, ou un composé générant de l’ammoniac par des compositions chimiques. De préférence, le dispositif de mélange 10 est prévu pour mélanger un mélange d’eau et d’urée avec le gaz d’échappement.
Le dispositif de mélange 10 comporte un boîtier 12, comprenant une paroi circonférentielle 13 délimitant intérieurement une chambre de mélange 14.
Le boîtier 12 comporte une ouverture 16 d’entrée de gaz d’échappement, et une ouverture 18 de sortie de gaz d’échappement.
Dans l’exemple décrit, le boîtier 12 s’étend le long d’un axe longitudinal X, depuis l’ouverture 16 d’entrée de gaz d’échappement jusqu’à l’ouverture 18 de sortie de gaz d’échappement. L’axe longitudinal X définit une direction longitudinale.
En variante, le boitier 12 s’étend le long d’une ligne par exemple incurvée.
La paroi circonférentielle 13 présente une forme générale de révolution définie autour de l’axe longitudinal X.
L’ouverture de sortie 18 est destinée à être connectée à une conduite d’évacuation (non représentée), qui est destinée à conduire le gaz d’échappement vers l’organe de purification.
L’ouverture d’entrée 16 est connectée à une conduite d’arrivée 20, qui traverse l’ouverture d’entrée 16 pour déboucher à l’intérieur de la chambre de mélange 14. La conduite d’arrivée 20 est destinée à être connectée audit collecteur de la ligne d’échappement, avec éventuellement interposition d’autres équipements comme par exemple un turbocompresseur ou un autre organe de purification des gaz d’échappement.
La conduite d’arrivée 20 de gaz d’échappement présente une embouchure 24 débouchant dans la chambre de mélange 14 dans une direction débouchanteA. On rappellera à toutes fins utiles que la direction débouchanteAest la direction perpendiculaire à un plan défini par l’embouchure 24. Il s’agit de la direction du gaz d’échappement lorsqu’il sort de la conduite d’arrivée 20.
Le dispositif de mélange 10 comporte par ailleurs au moins un dispositif 22 d’injection d’agent réducteur, agencé pour injecter l’agent réducteur dans la chambre de mélange 14. Le dispositif d’injection 22 est de préférence agencé pour injecter l’agent réducteur en aval de l’embouchure 24.
Par exemple, le dispositif d’injection 22 injecte un jet unique de liquide. En variante, le dispositif d’injection injecte plusieurs jets de liquide.
Dans l’exemple représenté sur les figures 1 et 2, le dispositif d’injection 22 est orienté pour injecter le liquide dans une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X.
Afin d’assurer un mélange optimal de l’agent réducteur avec le gaz d’échappement, le dispositif de mélange 10 selon l’invention est conformé pour donner une trajectoire T hélicoïdale au flux de gaz d’échappement.
Dans la présente description, le terme « hélicoïdal » est utilisé pour désigner une trajectoire tournant autour de l’axe longitudinal X au fur et à mesure de son avancée le long de cet axe longitudinal X.
Afin d’appliquer au gaz d’échappement cette trajectoire hélicoïdale T, la direction débouchanteAde embouchure 24 présente une composante radiale. En d’autres termes, la direction débouchanteAforme un angle non nul avec la direction longitudinale.
Afin d’améliorer l’entrainement des gaz d’échappement selon la trajectoire hélicoïdale T, la conduite d’arrivée 20 comporte une partie d’extrémité 26, comportant l’embouchure 24, présentant une forme courbée. Cette forme courbée de la partie d’extrémité 26 permet d’initier la trajectoire hélicoïdale T.
De préférence, la partie d’extrémité 26 présente une forme au moins partiellement hélicoïdale. L’entrainement des gaz d’échappement selon la trajectoire hélicoïdale T est alors initié de manière optimale.
Comme cela est représenté sur la figure 2, l’embouchure 24 est décalée par rapport à un plan médian P du boitier 12, le plan médian P passant par l’axe longitudinal. La direction débouchante A est par exemple parallèle au plan médian P.
Avantageusement, le dispositif d’injection 22 est également décalé par rapport au plan médian P.
Dans un mode de réalisation, la direction débouchante A est sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale.
Dans un autre mode de réalisation, compatible avec ceux précédemment décrits, la conduite d’arrivée de gaz 20 est en contact avec la paroi intérieure 13 du boîtier 12 au niveau de son embouchure 24.
Afin d’optimiser encore le mélange de l’agent réducteur avec les gaz d’échappements, la chambre de mélange 14 est conformée pour augmenter la vitesse des gaz d’échappement. A cet effet, la chambre de mélange 14 présente une section transversale décroissante selon la direction longitudinale, depuis un premier plan transversal P1, dans lequel la chambre de mélange présente une section maximale, passant par l’embouchure 24 de la conduite d’arrivée 20, et un second plan transversal P2, dans lequel la chambre de mélange présente une section minimale, passant par l’ouverture de sortie de gaz 18.
A toutes fins utiles, on rappelle qu’on appelle ici section la surface de l’intersection de la chambre de mélange avec un plan transversal perpendiculaire à la direction longitudinale.
Avantageusement, la section transversale de la chambre de mélange 14 décroit de façon continue entre le premier plan transversal de section maximale et le second plan transversal de section minimale. Par « décroit de façon continue », on entend qu’il n’y a aucune discontinuité de courbe, c’est à la dire que la paroi intérieure 13 ne comporte pas d’épaulement sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X. En revanche, on n’exclut pas la possibilité d’avoir des portions de section constante, la section transversale en chaque point de l’axe longitudinal X étant inférieure ou égale à toutes les sections transversales en amont, depuis le premier plan P1.
Conformément à un mode de réalisation préféré, le dispositif de mélange 10 comporte au moins un organe 28 de guidage des gaz d’échappement, conformé pour induire un entrainement des gaz en spirale. Cet organe de guidage 28 est agencé de préférence en aval du dispositif d’injection 22.
L’organe de guidage 28 comporte par exemple au moins une lame 30 courbée, et de préférence deux lames courbées 30. Ces lames 30 sont conformées pour délimiter un passage hélicoïdal avec la paroi circonférentielle 13.
Ainsi, l’organe de guidage 28 permet d’assurer que la trajectoire T reste hélicoïdale tout au long de la chambre de mélange 14.
Il apparait que le dispositif de mélange 10 décrit précédemment permet un mélange optimal de l’agent réducteur avec le gaz d’échappement, grâce à la trajectoire T en forme de cyclone, dont la vitesse augmente le long de la chambre de mélange 14.
On a représenté, sur les Figures 4 et 5, un dispositif de mélange 10 selon un deuxième exemple de mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références identiques.
Ce second mode de réalisation diffère principalement du premier par la forme de l’embouchure 24.
Conformément au second mode de réalisation, la conduite d’arrivée 20 est droite, au moins dans sa partie s’étendant dans la chambre de mélange 14.
La conduite d’arrivée 20 s’étend jusqu’à une extrémité fermée 32. La conduite d’arrivée 20 comporte, dans sa partie s’étendant dans la chambre de mélange 14, une ouverture latérale 34, par exemple à proximité de l’extrémité fermée 32. Le gaz d’échappement arrivant par cette conduite d’arrivée 20 en sortent donc latéralement, à travers cette ouverture latérale 34.
Afin d’initier la trajectoire en forme de cyclone, la conduite d’arrivée 20 comporte, sur son ouverture latérale 34, d’un organe de déviation 36, par exemple en forme d’auget.
L’organe de déviation 36 forme une coupelle guidant le gaz d’échappement sortant de l’ouverture latérale 34 en le déviant d’un angle d’environ 90°. L’embouchure 24 est donc formée par cet organe de déviation 36 et débouche, comme dans le premier mode de réalisation, dans une direction débouchante ayant une composante radiale.
De manière optionnelle, la chambre de mélange 14 du second mode de réalisation comporte une portion 38 de section constante. L’organe de guidage 28 est logé dans cette portion 38.
Cette portion 38 forme ainsi une conduite de sortie, par exemple agencée dans le prolongement de la conduite d’arrivée 20. Les conduites d’arrivée 20 et de sortie 38 présentent par exemple des diamètres sensiblement égaux.
On notera que, dans ce deuxième mode de réalisation, comme dans le premier mode de réalisation, le dispositif d’injection 22 est orienté pour injecter le liquide dans une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X.
Toutefois, on peut prévoir une autre orientation du dispositif d’injection 22, par exemple selon la variante de la figure 6.
Le dispositif de mélange de la figure 6 est identique à celui de la figure 4, à l’exception de la disposition et de l’orientation du dispositif d’injection 22, qui est agencé en amont de l’embouchure 24, et orienté pour injecter le liquide dans une direction formant un angle inférieur à 45° avec l’axe longitudinal, par exemple inférieur à 30°.
On pourrait encore, en variante, prévoir un dispositif d’injection 22 orienté pour injecter le liquide dans une direction formant un angle sensiblement nul avec l’axe longitudinal.
Il est à noter que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, mais pourrait présenter d’autres variantes compatibles.
Claims (10)
- Dispositif (10) de mélange d’un agent réducteur avec un gaz d’échappement, notamment pour une ligne d’échappement de moteur thermique, comportant un boîtier (12) délimitant une chambre de mélange (14), le boîtier (12) s’étendant dans une direction longitudinale entre une ouverture (16) d’arrivée de gaz d’échappement et une ouverture (18) de sortie de gaz d’échappement, et au moins un dispositif (22) d’injection d’agent réducteur dans la chambre de mélange (14), caractérisé en ce que le dispositif de mélange (10) comporte une conduite (20) d’arrivée de gaz d’échappement, présentant une embouchure (24) débouchant dans la chambre de mélange (14) dans une direction débouchante (A) ayant une composante radiale.
- Dispositif de mélange (10) selon la revendication 1, dans lequel la chambre de mélange (14) présente une section transversale décroissante selon la direction longitudinale, depuis un premier plan transversal (P1), passant par l’embouchure (24) de la conduite d’arrivée (20), dans lequel la chambre de mélange (14) présente une section maximale, et un second plan transversal (P2), passant par l’ouverture de sortie de gaz, dans lequel la chambre de mélange (14) présente une section minimale.
- Dispositif de mélange (10) selon la revendication 2, dans laquelle la section transversale de la chambre de mélange (14) décroit de façon continue entre le premier plan transversal (P1) et le second plan transversal (P2).
- Dispositif de mélange (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d’injection (22) est agencé pour injecter l’agent réducteur en aval de l’embouchure (24).
- Dispositif de mélange (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la conduite d’arrivée (20) comporte une partie d’extrémité (26), comportant l’embouchure (24), présentant une forme courbée ou au moins partiellement hélicoïdale.
- Dispositif de mélange (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la conduite d’arrivée (20) est sensiblement droite, au moins dans sa partie s’étendant dans la chambre de mélange (14), présente une ouverture latérale (34), et comporte, sur cette ouverture latérale (34), un organe de déviation (36) présentant l’embouchure (24).
- Dispositif de mélange (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la direction débouchante (A) est sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale.
- Dispositif de mélange (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la conduite d’arrivée de gaz (20) est en contact avec une paroi intérieure (13) du boîtier (12) au niveau de son embouchure (24).
- Dispositif de mélange (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un organe (28) de guidage des gaz d’échappement, conformé pour induire un entrainement des gaz en spirale, agencé de préférence en aval du dispositif d’injection (22).
- Ligne d’échappement de moteur thermique, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif de mélange (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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