FR2924751A3 - Melangeur aerodynamique pour homogeneiser un melange air/carburant dans un conduit d'echappement. - Google Patents

Melangeur aerodynamique pour homogeneiser un melange air/carburant dans un conduit d'echappement. Download PDF

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Abstract

Mélangeur aérodynamique pour homogénéiser un mélange air/carburant dans un conduit d'échappement à l'entrée d'un filtre à particules (6) afin d' obtenir une combustion homogène dans le filtre à particules (6). Il se compose de trois lamelles (10, 18, 24) disposées dans le conduit d'échappement (14) de manière à générer un écoulement turbulent.

Description

MELANGEUR AERODYNAMIQUE POUR HOMOGENEISER UN MELANGE AIR/CARBURANT DANS UN CONDUIT D'ECHAPPEMENT
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un mélangeur aérodynamique pour homogénéiser un mélange air/carburant dans un conduit d'échappement à l'entrée d'un filtre à particules afin d'obtenir une combustion homogène dans le filtre à particules. Les véhicules modernes comportent de plus en plus des dispositifs destinés à purifier les gaz d'échappement avant de les rejeter dans l'atmosphère. Ces dispositifs sont par exemple des pots catalytiques ou des filtres à particules. Cependant, il est nécessaire de les régénérer périodiquement afin de les maintenir dans un bon état de fonctionnement. Cette régénération s'effectue en injectant du carburant dans les gaz d'échappement de manière à brûler les suies qui se sont accumulées. On obtient ce résultat en implantant un injecteur à l'échappement afin d'amorcer la régénération du filtre à particules. Toutefois, l'implantation d'un injecteur à l'échappement nécessite des conditions particulières pour effectuer une combustion homogène dans le filtre à particules. Un des principaux paramètres permettant une combustion homogène dans le filtre est la répartition homogène air/carburant en entrée de filtre. La distance séparant l'injecteur de l'entrée de filtre étant généralement trop faible pour que le mélange air/carburant injecté soit homogène, il est connu d'utiliser des artifices aérodynamiques pour palier aux problèmes de mélange. Toutefois, l'utilisation de ces artifices se traduit par une augmentation de la perte de charge.
La conséquence directe de la non homogénéité du mélange air/carburant est l'apparition d'un fort gradient thermique en entrée du filtre. Ce gradient thermique est provoqué par la combustion non homogène dans le filtre pouvant engendrer la rupture du matériau considéré sous les contraintes thermodynamiques et une régénération partielle du filtre à particules, une partie des suies restant à brûler. Différents systèmes de pales insérés dans la ligne d'échappement et permettant le mélange du gaz air/carburant existent déjà avec des pertes de charges plus ou moins importantes. La complexité de réalisation des pièces reste généralement un frein économique pour le développement en grand nombre de cet artifice. Les mélangeurs subissent de fortes sollicitations thermiques engendrant généralement la rupture du système. D'autres systèmes, comme des systèmes de mélange par air permettent aussi de mélanger le carburant dans des conditions difficiles de réglage.
Ils peuvent provoquer des points de débit/température instables. On connaît par exemple du document EP 1 704 308 un système d'échappement avec un filtre à particules pour moteur à combustion interne à mélange pauvre. Ce système comprend un filtre à particules disposé entre une entrée et une sortie et un moyen pour dévier au moins une certaine partie du gaz d'échappement s'écoulant dans le système pour l'empêcher d'entrer dans le filtre à un point immédiatement opposé à l'entrée. Le moyen de déviation comprend un déflecteur disposé du côté de l'entrée du filtre. Ce déflecteur comprend une extrémité en amont ayant une première section et une extrémité en aval ayant une seconde section dans lequel la seconde section est supérieure à la première section et dans lequel le déflecteur est sous la forme d'un cône ou d'un tronc de cône. Le déflecteur comprend un substrat à écoulement direct comprenant au moins deux canaux qui sont parallèles l'un à l'autre. Toutefois, un système d'échappement de ce type présente plusieurs inconvénients. Ils peuvent engendrer de fortes pertes de charge, ces mélangeurs créent des mouvements de rotation permettant un mélange grossier du fluide HC avec le gaz d'échappement. Ils favorisent la turbulence à grosses structures contrairement à l'invention présentée qui favorise la turbulence de petites structures (favorable au mélange local). La présente invention a précisément pour objet un mélangeur aérodynamique qui remédie à ces inconvénients. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention par le fait que le mélangeur aérodynamique se compose de lamelles disposées dans le conduit d'échappement de manière à générer un écoulement turbulent.
Grâce à ces caractéristiques, on réalise un mélangeur aérodynamique simple de conception et robuste d'un point de vue thermomécanique car les pièces sont réalisées en un seul morceau et sans pliage. Ce mélangeur permet l'homogénéisation du carburant dans les gaz avec un compromis perte de charge/mélange performant. Dans un premier mode de réalisation, les lamelles sont disposées radialement et à angles égaux l'une de l'autre dans le conduit d'échappement. Le mélangeur comporte par exemple trois lamelles disposées à 120° l'une de l'autre. De préférence, les lamelles sont alors disposées perpendiculairement à l'écoulement du flux gazeux dans le conduit d'échappement. De préférence, les lamelles comportent des trous. Le nombre de trous est quelconque. Il s'étend de 0 à l'infini. Les trous permettent de réduire la perte de charge sans nuire à la création de turbulences. Dans un mode particulier de réalisation, le mélangeur aérodynamique comporte trois lamelles qui ont des dimensions égales.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le mélangeur aérodynamique comporte des lamelles disposées dans le sens de l'écoulement du flux gazeux et repliées vers l'intérieur du conduit d'échappement de manière à provoquer un décollement du flux gazeux. De préférence, le mélangeur aérodynamique comporte une autre lamelle disposée radialement vers l'intérieur du conduit d'échappement. Avantageusement, la lamelle disposée radialement est placée de manière asymétrique par rapport aux lamelles disposées dans le sens de l'écoulement du flux gazeux. Grâce à ces caractéristiques, on réalise un mélangeur aérodynamique simple de fabrication. Deux pliages uniquement sont ajoutés. Ils permettent de limiter les zones de forte sollicitation thermomécanique. De préférence, la lamelle disposée radialement comporte des trous.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le mélangeur aérodynamique comporte deux lamelles disposées dans le sens de l'écoulement du flux gazeux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures : - la figure 1 est une vue générale montrant 15 le positionnement préféré du mélangeur aérodynamique de l'invention dans une ligne d'échappement ; - la figure 2 est une vue de face d'un premier mode de réalisation d'un mélange aérodynamique conforme à la présente invention ; 20 - la figure 3 montre le positionnement des lamelles du mélangeur au niveau d'une bride de la ligne d'échappement ; -la figure 4 est une vue de face d'un second mode de réalisation d'un mélangeur aérodynamique 25 conforme à la présente invention ; - la figure 5 est une vue de profil d'une lamelle faisant partie du mélangeur aérodynamique conforme à la présente invention ; - la figure 6 est une vue en perspective 30 montrant le positionnement du mélangeur aérodynamique après un coude de la ligne d'échappement concentrant le flux vers l'extérieur du coude.
On a représenté sur la figure 1, le positionnement du mélangeur aérodynamique de l'invention sur une ligne d'échappement. Cette ligne comporte une turbine 2, un injecteur à l'échappement 4 et un système de post-traitement 6 tel qu'un pot catalytique ou un filtre à particules. Le mélangeur aérodynamique de l'invention, désigné par la référence 8, est disposé sur la canalisation dans le sens de l'échappement du gaz entre l'injecteur à l'échappement 4 et le système de post-traitement 6.
On a représenté sur la figure 2 une vue de face d'un premier mode de réalisation d'un mélangeur aérodynamique conforme à la présente invention. Ce mélangeur se compose de trois lamelles 10 dans l'exemple de réalisation représenté, ces lamelles étant
identiques l'une à l'autre. Toutefois, cette caractéristique n'est pas impérative et les lamelles pourraient avoir des dimensions différentes. De même, il pourrait y avoir plus de trois lamelles.
Les lamelles 10 ont la forme de plaques planes et sont disposées dans un même plan radial à l'intérieur du conduit d'échappement et elles sont transversées par des trous 12. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, chaque lamelle 10 comporte deux trous 12. Toutefois, il va de soi qu'il pourrait y avoir plus ou moins de trous dans chacune des lamelles. Sur la figure 2, on a désigné par L1 la longueur des lamelles et par L2 leur largeur. L1 et L2 sont des fonctions de R le rayon du conduit d'échappement 14 dans lequel les lamelles 10 sont montées. On a représenté sur la figure 3 le positionnement des lamelles 10 au niveau d'une bride 16 située dans la ligne d'échappement. On constate que les lamelles 10 sont situées juste après un coude du conduit 14. Sur la figure 2, les axes longitudinaux des lamelles 10 font entre eux des angles désignés respectivement par a et R. Dans l'exemple de réalisation représenté, a = = 120°. Les trois lamelles ont le même objectif qui est de créer de la turbulence dans la ligne d'échappement pour homogénéiser au mieux le carburant dans le gaz d'échappement. Le nombre de trous 12 est fonction de chaque cas particulier. La valeur de l'angle entre les axes longitudinaux des lamelles (a et (3) est fonction de la répartition aérodynamique du flux en amont du mélangeur. Les trois lamelles 10 sont conçues initialement dans le même plan et en un seul morceau. Elles ne sont pas pliées, ce qui limite les zones de forte contrainte thermodynamique. On a représenté sur la figure 4 une vue de face d'un second mode de réalisation d'un mélangeur aérodynamique conforme à la présente invention. Celui-ci comporte deux lamelles 18 en forme de plaques disposées dans le sens de l'écoulement du flux gazeux. Toutefois, ces lamelles comportent des pliages, à savoir un pliage bas 20 et un pliage haut 22 comme on peut le voir plus précisément sur la figure 5. Le pliage bas 20 fait un angle 0 avec la génératrice de paroi du conduit d'échappement 14 tandis que le pliage haut 22 fait un angle y avec la génératrice de la paroi du conduit d'échappement 14. La longueur L3 de la partie de lamelle 18 comprise entre le pliage bas 20 et le pliage haut 22 est égale à h/cos 0, h étant la distance du pliage haut 22 à la génératrice de la paroi du conduit d'échappement 14. La longueur de la partie de la lamelle 18 située après le pliage haut 22 est désignée par la référence L4. Les deux lamelles 18 n'ont pas pour but de créer un mouvement de tourbillon ou de rotation quelconque, mais de créer un décollement du flux pour générer de la turbulence. Dans le mode de réalisation représenté, les deux lamelles 18 sont identiques l'une à l'autre et disposées parallèlement l'une à l'autre dans un même plan radian du conduit d'échappement.
Toutefois, ces caractéristiques ne sont pas indispensables, les deux lamelles pourraient être différentes. On a désigné par L5 la largeur des lamelles et par L6 l'espace qui les sépare. En plus des deux lamelles 18, on trouve une lamelle 24. Cette autre lamelle 24 a pour but de générer un écoulement dissymétrique dans le conduit d'échappement. Elle est donc placée de côté par rapport aux lamelles 18. Dans l'exemple de réalisation représentée, l'angle 8 de l'axe longitudinal de la lamelle 24 par rapport à l'axe de symétrie des deux lamelles 18 est de 120°.
On a désigné par L7 la largeur de la lamelle 24. Cette largeur peut être égale, inférieure ou supérieure à celle des lamelles 18. Dans l'exemple représenté, le mélangeur aérodynamique comporte deux lamelles 18 mais il va sans dire qu'il pourrait en comporter davantage, par exemple 5.
On a représenté sur la figure 6 une vue en perspective montrant un positionnement du mélangeur aérodynamique dans la ligne d'échappement. Comme décrit précédemment, le mélangeur aérodynamique est aménagé de préférence au niveau d'une bride 16 et à la sortie d'un coude concentrant le flux à l'extérieur du coude par effet centrifuge. L'efficacité du mélangeur aérodynamique est ainsi optimale. Comme les lamelles 18, la lamelle 24 comporte un pliage bas 20 et un pliage haut 22. De plus, la lamelle 24 comporte des trous 12, deux dans l'exemple représenté, mais ce nombre pourrait être plus élevé.
Le mélangeur aérodynamique selon l'invention peut aussi se placer dans la partie amont de la ligne d'échappement, à proximité de la turbine 2.
Ce mode de réalisation possède donc trois lamelles 18, 24 initialement conçues dans le même plan et pliées par la suite sur deux parties 20, 22 de chaque lamelle. Les lamelles 18, 24 sont destinées à décoller une partie du flux. Dans l'exemple décrit, les lamelles 18 sont volontairement placées dans la zone extérieure à la sortie du coude pour agir sur la
majorité du gaz d'échappement, le flux étant majoritairement concentré à la périphérie du coude à cause de l'effet centrifuge. Les lamelles 18, 24 permettent de plus dans ce cas de rééquilibrer la concentration du flux dans la veine. Le pliage 22 haut des lamelles 18, 24 (d'angle de pliage 8 et de longueur L4) a pour rôle de casser l'écoulement généré par la première pente d'angle 0 et de longueur L3 et de générer ainsi la turbulence en aval des lamelles, favorisant ainsi le mélange. Le rôle de la lamelle 24 diffère de celui des deux lamelles 18 dans le sens où celle-ci n'est pas destinée à décoller le flux de la paroi mais à créer uniquement de la turbulence. Les trous formés dans la lamelle 24 permettent de diminuer la perte de charge tout en maintenant un niveau de turbulence équivalent voire supérieur. La lamelle 24 est positionnée de manière asymétrique par rapport au placement des lamelles 18 par exemple avec un angle 8 compris entre 90° et 180° afin de mélanger au mieux le flux et de générer un écoulement non symétrique.
Les lamelles 18 peuvent être remplacées par une seule lamelle. L'inconvénient réside alors dans la surface perdue lors du pliage des lamelles, celle-ci étant plus grande pour une lamelle que pour deux lamelles.25

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Mélangeur aérodynamique pour homogénéiser un mélange air/carburant dans un conduit d'échappement (14) à l'entrée d'un filtre à particules (6) afin d'obtenir une combustion homogène dans le filtre à particules (6), caractérisé en ce qu'il se compose de lamelles (10, 18, 24) disposées dans le conduit d'échappement (14) de manière à générer un écoulement turbulent.
2. Mélangeur aérodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lamelles (10) sont disposées radialement et à angles égaux l'une de l'autre dans le conduit d'échappement (14).
3. Mélangeur aérodynamique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les lamelles (10) sont disposées perpendiculairement à l'écoulement du flux gazeux dans le conduit d'échappement (14).
4. Mélangeur aérodynamique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les lamelles (10) comportent des trous (12).
5. Mélangeur aérodynamique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte trois lamelles (10) de dimensions égales.
6. Mélangeur aérodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des 30lamelles (18) disposées dans le sens de l'écoulement du flux gazeux et repliées vers l'intérieur du conduit d'échappement (14) de manière à provoquer un décollement du flux gazeux.
7. Mélangeur aérodynamique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une autre lamelle (24) disposée radialement vers l'intérieur du conduit d'échappement (14). 10
8. Mélangeur aérodynamique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la lamelle (24) disposée radialement est placée de manière asymétrique par rapport aux lamelles (18) disposées dans le sens de 15 l'écoulement du flux gazeux.
9. Mélangeur aérodynamique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la lamelle (24) disposée radialement comporte des trous (12).
10. Mélangeur aérodynamique selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte deux lamelles (18) disposées dans le sens de l'écoulement du flux gazeux. 20 25
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