FR2908454A1 - Dispositif de post-traitement des gaz d'echappement - Google Patents

Abstract

Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un dispositif pour introduire un agent réducteur dans une conduite de gaz d'échappement (14 ; 22, 24) du système de gaz d'échappement. Le dispositif comportent un module de dosage (15) et l'apport direct de chaleur dans le module de dosage (15) est minimisé.On fixe d'une bride (10, 24) pour recevoir le module de dosage (15), isolée thermiquement de la conduite (24) des gaz d'échappement.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de

post-traitement des gaz d'échappement d'un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un dispositif pour intro-duire un agent réducteur dans une conduite de gaz d'échappement du système de gaz d'échappement, le dispositif comportant un module de dosage dont l'apport direct de chaleur dans le module de dosage est minimisé. Etat de la technique Le post-traitement chimique des gaz d'échappement de-vient de plus en plus important à mesure que les limites autorisées pour les gaz d'échappement émis par les moteurs à combustion interne diminuent. Un procédé prometteur servant par exemple à réduire la teneur en oxydes d'azote NOX dans les gaz d'échappement riches en oxy- gène, est la réduction catalytique sélective (réduction SCR) par des réactifs contenant NH3 ou dégageant NH3. Actuellement, on développe des systèmes utilisant comme agent réducteur une solution d'urée (HWL) comme réactif dégageant NH3. La solution d'urée utilisée comme agent réducteur est en général introduite dans la veine des gaz d'échappement par une soupape de dosage. La soupape de dosage se trouve dans un module de dosage qui fixe les composants hydrauliques et assure le refroidissement de l'unité soit par de l'air soit à l'aide d'un fluide de refroidissement. Un problème important de la fixation du module de dosage à la conduite des gaz d'échappement est que la soupape de dosage a une température limite autorisée d'environ 150 C. Or, dans la conduite des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne on peut rencontrer des températures maximales de 700 C si bien que la réalisation utilisée jusqu'à présent de la fixation du module de dosage à la conduite des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne se traduit nécessairement par un apport thermique important dans le module de dosage et ainsi à des températures dépassant de manière significative 200 C au niveau de la soupape de dosage. Cela représente une sollicitation thermique importante de la soupape de dosage et dans un cas extrême cela peut se traduire par la destruction de la soupape de dosage et rendre inutilisable l'installation de nettoyage des gaz 2908454 2 d'échappement. Les liaisons par bride utilisées jusqu'à présent ont une bride recevant le module de dosage. La bride est reliée directement par une liaison par matière telle que par exemple une soudure à la conduite des gaz d'échappement. Cette liaison par matière transfère encore plus 5 de chaleur dans le module de dosage à cause de la chaleur rayonnée par la conduite des gaz d'échappement. Le flux thermique apporté au module de dosage doit être évacué par des moyens de refroidissement tels que par exemple un refroidissement par air ou par liquide hors du module de dosage. Ces moyens de refroidissement qui doivent être assurés de manière active nécessitent des moyens techniques importants et ainsi un coût élevé. Exposé de l'invention L'invention concerne un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement du type défini ci-dessus, caractérisé par une fixation 15 d'une bride pour recevoir le module de dosage, isolée thermiquement de la conduite des gaz d'échappement. Grâce à cette fixation par bride avec isolation par un intervalle d'air on réduit de manière significative l'apport de chaleur au module de dosage et à la soupape de dosage qu'il comporte. Cela signifie que la réduction de l'apport de chaleur au mo- 20 dule de dosage fait qu'il y aura moins de chaleur à en évacuer, ce qui permet de dimensionner le module de dosage plus petit du fait de ce moindre apport de chaleur. La solution selon l'invention de la fixation par bride à la conduite des gaz d'échappement réduit la chaleur transmise au module de dosage ou à la soupape de dosage qu'il comporte, au 25 travers de la bride par conductivité thermique de même que l'apport par la chaleur rayonnée par la conduite de gaz d'échappement dans le module de dosage. On peut en outre supprimer les tôles formant écran thermique utilisées jusqu'alors pour l'isolation thermique, ce qui permet globalement une construction plus compacte de l'ensemble du disposi- 30 tif. La fixation par bride selon l'invention sous la forme d'un tube isolé par un intervalle d'air et comprenant un tube intérieur et un tube extérieur offre la possibilité de ne pas fixer le dispositif à bride sur le tube intérieur exposé aux gaz d'échappement chauds, mais au tube 35 extérieur isolé par un intervalle d'air de forme annulaire par rapport à 2908454 3 la surface périphérique du tube intérieur. Entre le tube intérieur et le tube extérieur on peut avoir un intervalle annulaire d'une largeur de 2 à 4 mm, ce qui évite tout transfert direct de chaleur du tube intérieur vers la bride.

5 L'intervalle d'air entre le tube intérieur et le tube extérieur peut en principe être traversé par les gaz d'échappement. Mais si le tube extérieur est fermé vis-à-vis de l'atmosphère extérieure, il n'y aura plus de passage de gaz d'échappement à travers l'intervalle d'air et les gaz d'échappement n'arriveront plus à l'atmosphère par l'intervalle 10 d'air entre le tube intérieur et le tube extérieur. L'importance de l'intervalle d'air isolant le tube intérieur par rapport au tube extérieur est choisie pour ne pas avoir de dépôt d'urée dans l'intervalle annulaire. Par comparaison aux liaisons par bride connues jus-qu'alors, on mesure des températures diminuées d'environ 100 K sur la 15 bride, ce qui diminue de manière significative l'apport thermique au module de dosage. Les températures maximales au niveau de la bride, c'est-à-dire à l'endroit où le module de dosage avec la soupape de do-sage dont il est équipé est monté sur le tuyau des gaz d'échappement, peuvent être abaissées d'environ 420 C jusqu'à environ 320 C. Grâce à 20 l'isolation du tube intérieur par cette réalisation avec isolation par intervalle d'air, vis-à-vis du tube extérieur, on a également une isolation du tube intérieur de la bride par rapport aux températures extérieures basses, si bien qu'au point d'introduction du milieu au niveau du module de dosage on aura en même temps des températures plus élevées 25 par comparaison à la réalisation actuelle, ce qui évite le dépôt d'urée au point d'injection et se traduit par un autre effet avantageux de la solution selon l'invention. On améliore en outre l'évacuation de chaleur si la surface du tube extérieur entourant le tube intérieur comporte par exemple un 30 certain nombre d'ailettes de refroidissement, disposées pratiquement dans la direction radiale et s'étendant dans la direction axiale du tuyau ; d'autres géométries de réalisation des ailettes de refroidissement sont envisageables. Selon une autre variante avantageuse de la solution de 35 l'invention, le tube intérieur et le tube extérieur isolés l'un de l'autre par 2908454 4 un intervalle d'air de forme annulaire, sont réalisés en mécano-soudure. Une variante économique consiste à réaliser un tube à bride intérieure à partir du tube intérieur par emboutissage profond. En variante, on peut également souder le tube intérieur et le tube extérieur en compri- 5 tuant deux moitiés de tôle obtenues par emboutissage profond et en fixant sur ceux-ci la bride par une liaison par la matière. Cette variante de réalisation offre des avantages de coût, propre par comparaison à une structure complètement mécano-soudée. Dessins 10 La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un point d'injection dans un tuyau de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon l'état de la technique, 15 - la figure 2 montre une liaison par bride selon l'invention avec un tube extérieur et un tube intérieur isolés par un intervalle d'air par rapport au tuyau de gaz d'échappement, et - la figure 3 montre une autre variante de réalisation de la liaison par bride selon l'invention présentée à la figure 2 avec des ailettes de re- 20 froidissement sur le tube extérieur. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une fixation par bride correspondant à l'état de la technique. La figure 1 montre une conduite de gaz d'échappement 25 14 traversée par un courant de gaz d'échappement dans la direction B. Le courant de gaz d'échappement est émis par un moteur à combustion interne non représenté à la figure 1 dont l'échappement est équipé de la conduite de gaz d'échappement 14. Cette conduite est symétrique par rapport à son axe 16. La conduite de gaz d'échappement 14 est équipée 30 d'un ajutage tubulaire 12 relié par une liaison 13, par exemple une liai-son par la matière telle qu'une soudure. A la place de la liaison par matière 13 on peut également avoir une liaison vissée avec un filetage fin ou un moyen analogue. A la fois la conduite de gaz d'échappement 14 et l'ajutage tubulaire 12 sont réalisés avec une paroi unique. L'angle 35 d'inclinaison de l'ajutage tubulaire 12 par rapport à l'axe 16 de la 2908454 5 conduite de gaz d'échappement 14 est choisi pour réaliser le mélange le meilleur possible du courant de gaz d'échappement traversant la conduite de gaz d'échappement 14 dans la direction B avec un réactif injecté selon un cône d'éjection A, comme par exemple de l'urée.

5 La bride 10 d'un module de dosage 15 équipé d'une sou-pape de dosage ou injecteur de dosage qui introduit l'agent réactif dans le courant de gaz d'échappement suivant le cône d'injection A est fixée à l'ajutage tubulaire 12, par exemple à l'aide d'une soudure 11. En va-riante à la soudure 11 on peut également utiliser une liaison vissée. La 10 température des gaz d'échappement du courant de gaz d'échappement passant dans la direction B atteint à cet endroit une température allant jusqu'à 700 C. Il en résulte que la conduite de gaz d'échappement 14 est chauffée par le courant de gaz d'échappement passant dans la direction B. La chaleur ainsi produite se transmet à la fois par rayonnement 15 thermique de la conduite de gaz d'échappement 14 au module de do-sage 15 et ainsi par conduction thermique de la conduite de gaz d'échappement 14, par exemple par la liaison par la matière 13 à l'ajutage tubulaire 12 et de celui-ci par la soudure 11 à la bride 10 et au module 15 qu'elle porte. La bride 10 atteint en fonctionnement des tem- 20 pératures maximales de 420 C. Pour cette raison, il faut prendre des mesures complémentaires importantes pour éviter de dépasser la température autorisée de 150 C au niveau de la soupape de dosage portée par le module de dosage 15. De façon générale, le module de dosage 15 comporte des 25 moyens de refroidissement en balayant avec de l'air ou en faisant circuler un autre fluide de refroidissement pour évacuer la chaleur et refroidir le module de dosage 15. La conduite de gaz d'échappement 14 a une surface périphérique portant la référence 17. La figure 2 montre une première variante de réalisation 30 de la liaison par bride selon l'invention selon une configuration en double coque. La figure 2 montre une réalisation en double coque de la conduite des gaz d'échappement et de l'ajutage tubulaire. La conduite de gaz d'échappement 14 réalisée en une seule pièce selon la figure 1 35 comprend dans la solution de l'invention selon la représentation de la 2908454 6 figure 2, un tuyau extérieur 22 et un tuyau intérieur 24 séparés l'un de l'autre par un intervalle d'air périphérique (intervalle annulaire) 25. Le tuyau intérieur 24 conduit directement les gaz d'échappement (flèche B) alors que le tuyau extérieur 22 enveloppe complètement le tuyau inté- 5 rieur 24 en laissant un intervalle d'air 25 d'une largeur 27 de l'ordre de 2 à 4 mm. L'ajutage tubulaire est également réalisé avec une structure à double coque 23. Le tuyau intérieur de l'ajutage tubulaire 23 est relié par une soudure 13 ou par une liaison vissée au tuyau intérieur 24 conduisant les gaz d'échappement alors que le tuyau extérieur de 10 l'ajutage tubulaire est relié par une structure à double coque 23 portant la bride 10 au tuyau extérieur 22 isolé du tuyau intérieur 24 conduisant les gaz d'échappement par l'intervalle d'air 25. L'intervalle d'air 25, relié au niveau de la jonction 28 entre la bride 10 et le tuyau extérieur de l'ajutage tubulaire à structure en double coque 23, est ouvert sous la 15 surface de la bride 10 par rapport au tuyau intérieur 24 conduisant les gaz d'échappement. Au niveau de la bride 10, l'intervalle d'air 25 ne peut être traversé par les gaz d'échappement chauds car le tuyau extérieur 22 est rendu étanche par rapport à l'extérieur. Le tuyau extérieur 22 peut également être réalisé comme une pièce en tôle emboutie, par 20 exemple composée de deux demi-coquilles assemblées, avec le tuyau extérieur de l'ajutage tubulaire en structure à double coque 23. L'intervalle d'air 25 de largeur 27 et qui passe entre le tuyau extérieur 22 et le tuyau intérieur 24 conduisant les gaz d'échappement, évite la conduction de chaleur entre le tuyau intérieur 24 dans la direction ra- 25 diale vers l'extérieur, si bien que le tuyau extérieur 22 et aussi la coquille extérieure de l'ajutage tubulaire à structure en double coque 23 restent beaucoup plus froids. Les gaz d'échappement eux-mêmes refroidissement moins sur ce trajet à cause de l'effet d'isolation par le tuyau à isolation par intervalle d'air si bien que les gaz d'échappement attei- 30 gnent les zones de réaction en aval à des températures plus élevées. Ainsi, la solution selon l'invention permet d'obtenir avantageusement les effets suivants : Tout d'abord le rayonnement thermique par le tuyau de gaz d'échappement en deux parties, le tuyau intérieur 24 et le tuyau 35 extérieur 22 vers le module de dosage 15 est réduit de façon significa- 2908454 7 tive. De plus, la bride 10 est reliée au tuyau extérieur 22 plus froid qui est séparé du tuyau intérieur 24 conduisant le courant de gaz d'échappement par l'intervalle d'air 25. Cela se traduit par une réduction de température considérable au niveau de la bride 10. Des essais 5 ont permis de constater une diminution des températures de l'ordre de 100 K par rapport aux solutions de l'état de la technique. De plus, les températures de gaz d'échappement plus élevées, ainsi rendues possibles, favorisent les réactions chimiques dans les zones de réaction en aval en évitant par exemple les dépôts d'urée au dosage d'une solution 10 aqueuse d'urée, dans le cône d'injection A. Comme conséquence de la réalisation du point de dosage d'une solution aqueuse d'urée selon l'invention, on a par exemple une réduction significative du rayonnement thermique du tuyau de gaz d'échappement et par conséquent une réduction significative de la cha- 15 leur apportée au module de dosage 15 avec la soupape de dosage. Cela permet notamment de supprimer des écrans thermiques compliqués dans l'environnement de la conduite des gaz d'échappement ; en outre, des mesures complexes d'évacuation de chaleur par des tôles d'évacuation, des systèmes de refroidissement par liquide ou analogue 20 au niveau du module de dosage 15 et de la soupape de dosage deviennent inutiles. Ainsi, le module de dosage 15 est beaucoup plus compact en comparaison aux réalisations connues selon l'état de la technique qui comportaient des moyens de refroidissement compliqués. Pour être complet, il faut signaler que la section 25 d'écoulement traversée par les gaz d'échappement dégagés par le moteur à combustion interne dans le tuyau intérieur 24 est identifiée par la référence 26. Le diamètre de l'ajutage tubulaire à structure bi-coque 23 comme représenté à la figure 2, est choisi pour que le cône d'injection A obtenu assure un mélange optimum du courant massique 30 de gaz d'échappement avec l'agent réactif injecté à cet endroit d'injection. La figure 3 montre une variante de réalisation de la solution proposée selon l'invention à la figure 2 avec également un tuyau de gaz d'échappement en double coque et dont la surface périphérique ex- 35 térieure comporte un certain nombre d'ailettes de refroidissement.

2908454 8 La représentation de la figure 3 montre que dans cette variante de réalisation le tuyau intérieur 24 est également traversé par le courant de gaz d'échappement circulant dans la direction B. La section découlement du tuyau intérieur 24 est visualisée à la figure 3 par 5 la référence 26. Le tuyau intérieur 24 est séparé du tuyau extérieur 22 par l'intervalle d'air 25 annulaire. Dans cette variante de réalisation, la dimension 27 de l'intervalle d'air entre la périphérie extérieure du tuyau intérieur 24 et la périphérie intérieur du tuyau extérieur 22 est de l'ordre de grandeur par exemple de 2 à 4 mm. Selon la situation de 10 montage, on peut également choisir une largeur plus grande ou plus faible 27 pour l'intervalle d'air. L'ajutage tubulaire à structure en double coque 23 est fixé sur la conduite de gaz d'échappement comprenant le tuyau intérieur 24 conduisant le courant de gaz d'échappement et le tuyau exté- 15 rieur 22 qui entoure celui-ci. Le tuyau extérieur porte au point d'assemblage 28 la bride 10 reliée par une liaison par la matière, de préférence par une soudure. La bride 10 elle-même porte le module de dosage 15 qui est muni de la soupape de dosage. A la différence de la variante de réalisation représentée à 20 la figure 2, la périphérie extérieure du tuyau extérieur 22 comporte un certain nombre d'ailettes de refroidissement 31. La surface des ailettes de refroidissement 31 à la périphérie extérieure du tuyau extérieur 22 est désignée par la référence 32 ; la surface des ailettes s'étend dans cet exemple de réalisation dans la direction axiale 33 comme l'indique la 25 figure 3 ; cela dépend dans chaque cas de la position de montage. La représentation de la figure 3 montre en outre que l'on peut avoir une répartition 34 des ailettes de refroidissement 31 à la périphérie du tuyau extérieur sur laquelle les ailettes de refroidissement 31, qui s'étendent dans la direction axiale 33, peuvent faire entre elles 30 un angle, par exemple de 45 . On peut également prévoir toute autre répartition angulaire pour la disposition des ailettes de refroidissement 31 à la périphérie extérieure 17 du tuyau extérieur 22. La référence 16 désigne à la figure 3 l'axe de la conduite des gaz d'échappement en réalisation à double coque comprenant le tuyau intérieur 24 conduisant 2908454 9 le courant de gaz d'échappement et le tuyau extérieur 22 séparé du tuyau intérieur par l'intervalle d'air 25. La mise en place supplémentaire d'ailettes de refroidissement 31 s'étendant dans la direction axiale 33 sur le tuyau extérieur 5 22 permet de réduire encore plus la température du tuyau extérieur 22 et ainsi la température du module de dosage 25 fixé à cette bride 10. Le moyen présenté à la figure 3 permet d'augmenter encore plus la dis-tance de sécurité vis-à-vis des températures critiques au niveau du module de dosage 15, notamment par rapport à la soupape de dosage du 10 module. Comme le tuyau intérieur 24 est isolé vis-à-vis des bas-ses températures extérieures dans le cas de la réalisation avec un intervalle d'air d'isolation comme représenté aux figures 2 et 3, au niveau du point d'injection, par exemple de la solution aqueuse d'urée suivant le 15 cône d'injection A dans la veine des gaz d'échappement, on aura des températures plus élevées par rapport à celles des réalisations actuel-les, ce qui s'oppose au dépôt d'urée. 20

Claims (5)

REVENDICATIONS

1 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement pour le post-traitement des gaz d'échappement d'un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un dispositif pour introduire un agent réducteur dans une conduite de gaz d'échappement (14 ; 22, 24) du système de gaz d'échappement, le dispositif comportant un module de dosage (15) dont l'apport direct de chaleur dans le module de dosage (15) est minimisé, caractérisé par une fixation d'une bride (10, 28) pour recevoir le module de dosage (15), isolée thermiquement de la conduite (24) des gaz d'échappement.

2 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une conduite de gaz d'échappement (14 ; 22, 24) est réalisée sous la forme d'un double coquille au niveau du module de dosage (15).

3 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la reven- dication 1, caractérisé par un ajutage dans la structure à double coquille (23) comprenant un segment de tube intérieur et un segment de tube extérieur.

4 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 3, caractérisé par un point d'assemblage (28) de la bride (10) au segment de tube extérieur de l'ajutage tubulaire dans la structure à double coquille (23).

5 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé par 2908454 11 un tube intérieur (24) traversé par la veine de gaz d'échappement qui est isolée thermiquement du tube extérieur (22) par un intervalle d'air (25). 5 6 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le segment de tube intérieur et le segment de tube extérieur de l'ajutage tubulaire à structure en double coque (23) sont isolés thermiquement 10 l'un par rapport à l'autre par un intervalle d'air (25). 7 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que 15 l'intervalle d'air (25) d'isolation thermique a une largeur (27) de l'ordre de quelques millimètres. 8 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 4, 20 caractérisé en ce que la surface périphérique (17) du tube extérieur (22) comporte au moins une ailette de refroidissement (31) s'étendant dans la direction axiale (33). 25 9 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface périphérique extérieure (17) du tube extérieur (22) porte un certain nombre de nervures de refroidissement (31) s'étendant dans la 30 direction axiale (33). 10 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 2908454 12 le tube extérieur (22) comporte deux moitiés fabriquées par emboutis-sage profond, qui sont comprimées l'une à l'autre et l'ajutage tubulaire en double coque (23) est formé sur celles-ci. 5 11 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de gaz d'échappement comporte un catalyseur pour réduire les composants d'oxydes d'azote NOX du moteur à combustion interne. 10 12 ) Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 11, caractérisé en ce qu' il est conçu pour introduire l'agent réducteur dans le catalyseur. 20