FR3102683A1 - Mélangeur pour système d’échappement de moteur thermique - Google Patents

Mélangeur pour système d’échappement de moteur thermique Download PDF

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Abstract

Mélangeur pour système d’échappement de moteur thermique Le mélangeur (10) comprend : un corps (18), une chambre de mélange (20) cylindrique, un organe d’arrivée (28) s’étendant dans la chambre (20) depuis une ouverture d’entrée (22) du corps (18), comprenant une partie amont (28a) cylindrique et une partie aval (28b) présentant une ouverture latérale (30), un déflecteur principal plan (32), agencé à l’extrémité aval de l’organe d’arrivée (28), et comprenant une première partie (32a) s’étendant dans le prolongement de l’ouverture latérale (30), et présentant une première périphérie présentant le même diamètre que la chambre (20), et une seconde partie s’étendant dans le prolongement du reste de la seconde partie aval (28b) dans la direction de l’axe longitudinal (X), présentant une seconde périphérie présentant le même diamètre que la seconde partie aval (28b), et des déflecteurs secondaires (34), s’étendant le long de l’ouverture latérale (30), entre le déflecteur principal (32) et la première partie amont (28a). Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

Mélangeur pour système d’échappement de moteur thermique
La présente invention concerne un mélangeur pour un système d’échappement d’un moteur thermique.
De préférence, le mélangeur est destiné à équiper le système d’échappement d’un moteur diesel.
Afin de réduire l’émission d’oxydes d’azote (ci-dessous NOx) issues de la combustion fossile dans le moteur thermique, il est connu d’injecter une solution de réduction catalytique sélective dans les gaz d’échappement. La solution de réduction catalytique sélective réagit alors avec les NOx dans une réaction d’oxydoréduction, transformant les NOx notamment en diazote N2et en eau.
Par exemple, la solution de réduction catalytique comporte de l’urée ou de l’ammoniac.
Afin d’optimiser la réaction catalytique, il est souhaitable de mélanger au mieux la solution de réduction catalytique sélective dans les gaz d’échappement.
L’invention a notamment pour but de permettre un tel mélange optimal.
A cet effet, l’invention a notamment pour objet un mélangeur pour un système d’échappement d’un moteur thermique, caractérisé en ce qu’il comprend :
- un corps principal, comprenant une paroi intérieure délimitant une chambre de mélange, de forme générale cylindrique s’étendant le long d’une direction d’un axe longitudinal, le corps principal s’étendant entre une première extrémité comportant une ouverture d’entrée, et une seconde extrémité comprenant une ouverture de sortie,
- un organe d’arrivée d’un mélange de gaz d’échappement et d’une solution de réduction catalytique sélective, s’étendant dans la chambre de mélange depuis l’ouverture d’entrée du corps principal jusqu’à une extrémité aval, comprenant une première partie amont cylindrique s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal, et une seconde partie aval présentant au moins une ouverture latérale,
- un déflecteur principal plan, s’étendant perpendiculairement à l’axe longitudinal, agencé à l’extrémité aval de l’organe d’arrivée, et comprenant une première partie s’étendant dans le prolongement de l’ouverture latérale dans la direction de l’axe longitudinal, et présentant une première périphérie présentant les mêmes dimensions radiales que la paroi intérieure, et une seconde partie s’étendant dans le prolongement du reste de la seconde partie aval dans la direction de l’axe longitudinal, présentant une seconde périphérie présentant les mêmes dimensions transversales que la seconde partie aval de l’organe d’arrivée, et
- des déflecteurs secondaires, s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal, le long de l’ouverture latérale, au moins entre le déflecteur principal et la première partie amont de l’organe d’arrivée.
Le mélangeur selon l’invention impose deux rebroussements au flux de gaz d’échappement, qui est ainsi brassé de manière optimale avec la solution de réduction catalytique.
Un mélangeur selon l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables :
- la paroi intérieure présente une forme générale cylindrique à base circulaire ;
- la première partie amont de l’organe d’arrivée présente une forme générale cylindrique à base circulaire, la seconde partie aval s’étendant dans le prolongement de la première partie amont et présentant les mêmes dimensions radiales que cette partie amont (28a) ;
- l’organe d’arrivée s’étend coaxialement à la paroi intérieure ;
- l’ouverture latérale s’étend circonférentiellement sur une moitié de l’organe d’arrivée ;
- l’organe d’arrivée présente des dimensions transversales supérieures à la moitié des dimensions transversales de la paroi intérieure considérées dans les mêmes directions ;
- chaque déflecteur secondaire s’étend radialement entre l’organe d’arrivée et la paroi intérieure du corps principal.
L’invention concerne également un système d’échappement d’un moteur à combustion, comprenant une conduite de circulation de gaz d’échappement, dans laquelle est agencé un injecteur d’une solution de réduction catalytique sélective, caractérisé en ce qu’il comporte un mélangeur tel que défini précédemment, agencé en aval de la conduite de circulation, l’organe d’arrivée étant connecté fluidiquement à cette conduite de circulation.
L’invention concerne également un véhicule, caractérisé en ce qu’il comporte un système d’échappement tel que défini ci-dessus.
Divers aspects et avantages de l’invention seront mis en lumière à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et fait en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles :
- La figure 1 est une vue en perspective d’un mélangeur selon un exemple de mode de réalisation de l’invention, et
- La figure 2 est une vue de profil sur mélangeur de la figure 1.
On a représenté, sur les figures, un mélangeur 10 pour un système d’échappement 12 d’un moteur thermique. Par exemple, le mélangeur 10 est destiné à équiper le système d’échappement d’un moteur diesel.
Ce système d’échappement 12 équipe généralement un véhicule. Toutefois, l’invention est également applicable à un moteur thermique d’une installation fixe.
On notera que, dans la présente description, les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens de circulation prévu pour les gaz d’échappement dans le système d’échappement 12, en provenance du moteur thermique.
Le système d’échappement 12 est représenté partiellement sur la figure 1. Plus particulièrement, on a représenté un conduit amont 14 par lequel un mélange de gaz d’échappement issu du moteur thermique et de solution de réduction catalytique sélective est apporté vers le mélangeur 10. Ce mélange est obtenu par l’injection de la solution de réduction catalytique dans un flux de gaz d’échappement, de manière classique connue en soi.
La solution de réduction catalytique est par exemple une solution d’ammoniaque ou une solution d’urée. Généralement, dans le cadre d’un système d’échappement de moteur diesel de véhicule automobile, la solution de réduction catalytique est une solution d’urée.
Le système d’échappement 12 comporte par ailleurs un dispositif 16 de purification de gaz d’échappement, agencé en aval du mélangeur 10.
Le dispositif de purification 16 comporte, de manière classique, un bloc de purification catalytique, destiné à être traversé par le mélange de gaz d’échappement et de solution de réduction catalytique. C’est habituellement dans ce bloc de purification catalytique qu’a lieu la réaction catalytique transformant les NOx notamment en diazote N2et en eau, ainsi que, dans certains cas, en CO2. Un tel dispositif de purification 16 est classique et ne sera donc pas décrit davantage dans la présente description.
Le mélangeur 10 est destiné à optimiser le brassage du mélange de gaz d’échappement et de solution de réduction catalytique avant son entrée dans le dispositif de purification 16, afin d’assurer une efficacité optimale de ce dispositif de purification 16.
Le mélangeur 10 comporte un corps principal 18 (représenté transparent sur les figures pour des raisons de visibilité des éléments qu’il contient). Ce corps principal 18 est creux, et comporte une paroi intérieure 19 délimitant une chambre de mélange 20.
La paroi intérieure 19, est cylindrique, s’étendant le long d’une direction longitudinale définie par un axe longitudinal X.
De préférence, la paroi intérieure 19 est cylindrique à base circulaire, définie autour de l’axe longitudinal X.
Le corps principal 18 s’étend entre une première extrémité 18a comportant une ouverture d’entrée 22 et une seconde extrémité 18b comportant une ouverture de sortie 24.
L’ouverture d’entrée 22 présente des dimensions transversales (c’est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal X) inférieures à celles de la paroi intérieure 19. Plus particulièrement, dans le cas d’un cylindre à base circulaire, le rayon de l’ouverture d’entrée 22 est inférieur à celui de la paroi intérieure 19. Ainsi, une surface plane annulaire 26, perpendiculaire à l’axe longitudinal X, est définie autour de l’ouverture d’entrée 22.
Le mélangeur 10 comporte par ailleurs un organe 28 d’arrivée du mélange de gaz d’échappement et de la solution de réduction catalytique sélective.
L’organe d’arrivée 28 s’étend à l’intérieur du corps principal 18, dans la chambre de mélange 20. Cet organe d’arrivée 28 est connecté fluidiquement au conduit amont 14, de sorte que tout le gaz issu du conduit amont 14 passe par l’organe d’arrivée 28 pour entrer dans la chambre de mélange 20. Ainsi, l’organe d’arrivée 28 s’étend dans la direction de l’axe longitudinal X, depuis l’ouverture d’entrée 22, l’intégralité de l’ouverture d’entrée 22 étant occupée par l’organe d’arrivée 28, jusqu’à une extrémité aval.
L’organe d’arrivée 28 comporte une première partie amont 28a cylindrique s’étendant parallèlement à la direction longitudinale, et une seconde partie aval 28b présentant au moins une ouverture latérale 30.
Avantageusement, la première partie amont 28a de l’organe d’arrivée 28 présente une forme générale cylindrique à base circulaire, et la seconde partie aval 28b s’étend dans le prolongement de la première partie amont 28a et présente les mêmes dimensions radiales.
De préférence, l’organe d’arrivée 28 s’étend coaxialement à la paroi intérieure 19, c’est-à-dire que sa forme cylindrique est définie autour de l’axe longitudinal X.
Dans le mode de réalisation décrit, l’organe d’arrivée 28 présente des dimensions transversales supérieures à la moitié des dimensions transversales de la paroi intérieure 19 considérées dans les mêmes directions. En d’autres termes, dans le cas de formes cylindriques à bases circulaires, l’organe d’arrivée 28 présente un rayon supérieur la moitié du rayon de la paroi intérieure 19. De préférence, le rayon de l’organe d’arrivée 28 est inférieur à 75% du rayon de la paroi intérieure 19.
On notera que l’extrémité aval de l’organe d’arrivée 28 se trouve à distance de l’ouverture de sortie 24 dans la direction de l’axe longitudinal X, la longueur de l’organe d’arrivée 28 dans la direction de l’axe longitudinal X étant inférieure à la longueur de la chambre de mélange 20 dans cette même direction, et de préférence supérieure à 75% de la longueur de la chambre de mélange.
Ainsi, la chambre de mélange 20 comporte une première zone 20a entourant l’organe d’arrivée 28 et une second zone 20b s’étendant en aval de l’organe d’arrivée 28. Plus particulièrement, la première zone 20a s’étend, parallèlement à l’axe longitudinal X, entre la première extrémité 18a du corps principal 18 et l’extrémité aval de l’organe d’arrivée 28, et la seconde zone 20b s’étend, parallèlement à l’axe longitudinal X, entre l’extrémité aval de l’organe d’arrivée 28 et la seconde extrémité 18b du corps principal 18.
On notera que l’ouverture de sortie 24 débouche dans la seconde zone 20b. Par ailleurs, l’ouverture latérale 30 débouche dans la première zone 20a.
Conformément à l’exemple décrit, l’ouverture latérale 30 s’étend circonférentiellement sur une moitié de la partie aval 28b de l’organe d’arrivée 28. Ainsi, la partie aval 28b présente une forme semi-cylindrique de même rayon que la partie amont 28a.
Le mélangeur 10 selon l’invention comporte en outre un déflecteur principal plan 32, perpendiculaire à l’axe longitudinal X, et s’étendant dans un plan séparant la première zone 20a de la seconde zone 20b. Ainsi, le déflecteur principal 32 est agencé à l’extrémité aval de l’organe d’arrivée 28.
Le déflecteur principal 32 comporte une première partie 32a dans le prolongement de l’ouverture latérale 30 dans la direction de l’axe longitudinal X, et une seconde partie 32b s’étendant dans le prolongement du reste de la partie aval 28b de l’organe d’arrivée 28 dans la direction de l’axe longitudinal X.
La première partie 32a présente une première périphérie présentant les mêmes dimensions radiales que la paroi intérieure 19. Ainsi, cette première partie s’étend radialement entre l’axe longitudinal X et la paroi intérieure 19 du corps principal 18. Ainsi, dans le cadre d’une chambre de mélange 20 cylindrique à base circulaire, la première partie 32a est une première section de disque (et dans le cas particulier décrit, un demi-disque) présentant le même rayon que la chambre de mélange 20.
La second partie 32b présente une seconde périphérie présentant les mêmes dimensions transversales que la seconde partie aval 28b de l’organe d’arrivée 28. Ainsi, cette seconde partie 32b obture l’extrémité aval de l’organe d’arrivée 28, mais ne s’étend pas radialement en dehors de l’organe d’arrivée 28. Ainsi, dans le cadre d’une partie aval 28b cylindrique à base circulaire, la seconde partie 32b est une seconde section de disque (et dans le cas particulier décrit, un demi-disque) présentant le même rayon que l’organe d’arrivée 28.
Le mélangeur 10 comporte par ailleurs des déflecteurs secondaires 34, s’étendant parallèlement à la direction longitudinale X, le long de l’ouverture latérale 30, au moins entre le déflecteur principal 32 et la première partie amont 28a de l’organe d’arrivée 28, et de préférence au-delà de l’interface entre la partie amont 28a et la partie aval 28b de l’organe d’arrivée 28, vers la première extrémité 18a du corps principal 18.
Avantageusement, chaque déflecteur secondaire 34 s’étend radialement entre l’organe d’arrivée 28 et la paroi intérieure 19 du corps principal 18.
Le fonctionnement du mélangeur 10 va maintenant être décrit. On a représenté sur les figures, au moyens de flèches, le trajet emprunté par le mélange de gaz d’échappement et de solution de réduction circulant dans le mélangeur 10.
La première flèche F1 représente le flux de mélange circulant dans le conduit amont 14, vers l’organe d’arrivée 28.
Dans la partie amont 28a de l’organe d’arrivée 28, le flux de mélange est guidé par cette partie amont 28a cylindrique, dans la direction de l’axe longitudinal X.
Arrivé dans la partie aval 28b, le flux de mélange sort de l’organe d’arrivée 28 à travers l’ouverture latérale 30 (Flèche F2). Il n’y a pas d’autre alternative, l’extrémité aval de la partie aval 28b étant obturée par le déflecteur principal 32. Ce déflecteur principal 32 dévie donc le flux de mélange à travers l’ouverture latérale 30.
Puisque la première partie 32a du déflecteur principal 32 s’étend jusqu’à la paroi intérieure 19, et que les déflecteurs secondaires 34 s’étendent également jusqu’à la paroi intérieure 19, ces déflecteurs principal 32 et secondaires 34 ne laisse pas au flux de mélange d’autre possibilité que d’être déviés vers la première zone 20a (Flèche F2).
En suivant cette direction, le flux de mélange se dirige vers la surface plane annulaire 26, qui obture la chambre de mélange 20 à la première extrémité 18a.
Le seul trajet possible pour le flux de mélange est alors de contourner les déflecteurs secondaires 34 (Flèche F3), pour passer du côté de ces déflecteurs secondaires 34 qui n’est pas obturé par le déflecteur principal 32 (Flèche F4). En effet, du côté de la seconde partie 32b du déflecteur principal 32, celui-ci ne s’étend pas au-delà de l’organe d’arrivée 28, ce qui laisse donc un passage entre cet organe d’arrivée 28 et la paroi intérieure 19, depuis la première zone 20a vers la seconde zone 20b de la chambre de mélange 20.
Il apparait clairement que le flux de mélange est dévié deux fois en changeant de sens : la première fois par le déflecteur principal 32, et la seconde fois par la surface plane annulaire 26 pour contourner les déflecteurs secondaires 34.
Une fois arrivé dans la seconde zone 20b, le flux de mélange est dirigé vers l’ouverture de sortie 24. Avantageusement, le diamètre de l’ouverture de sortie 24 est inférieur au diamètre de la paroi intérieure 19, si bien que le flux de mélange subit une perturbation supplémentaire en arrivant face à une seconde surface plane annulaire s’étendant radialement entre cette ouverture de sortie 24 et la paroi intérieure 19.
Du fait de ces changements de direction, le mélange est brassé de manière optimale dans le dispositif de mélange 10, avant d’être dirigé vers le dispositif de purification 16.
On notera que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit, mais pourrait présenter des variantes sans sortir du cadre des revendications.
En particulier, la paroi intérieure 19 et/ou l’organe d’arrivée 16 pourraient présenter des formes cylindriques à base non circulaire, et/ou pourraient ne pas être agencés coaxialement.

Claims (9)

  1. Mélangeur (10) pour un système d’échappement (12) d’un moteur thermique, caractérisé en ce qu’il comprend :
    - un corps principal (18), comprenant une paroi intérieure (19) délimitant une chambre de mélange (20), de forme générale cylindrique s’étendant le long d’une direction d’un axe longitudinal (X), le corps principal (18) s’étendant entre une première extrémité (18a) comportant une ouverture d’entrée (22), et une seconde extrémité (18b) comprenant une ouverture de sortie (24),
    - un organe (28) d’arrivée d’un mélange de gaz d’échappement et d’une solution de réduction catalytique sélective, s’étendant dans la chambre de mélange (20) depuis l’ouverture d’entrée (22) du corps principal (18) jusqu’à une extrémité aval, comprenant une première partie amont (28a) cylindrique s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal (X), et une seconde partie aval (28b) présentant au moins une ouverture latérale (30),
    - un déflecteur principal plan (32), s’étendant perpendiculairement à l’axe longitudinal, agencé à l’extrémité aval de l’organe d’arrivée (28), et comprenant une première partie (32a) s’étendant dans le prolongement de l’ouverture latérale (30) dans la direction de l’axe longitudinal (X), et présentant une première périphérie présentant les mêmes dimensions radiales que la paroi intérieure (19), et une seconde partie s’étendant dans le prolongement du reste de la seconde partie aval (28b) dans la direction de l’axe longitudinal (X), présentant une seconde périphérie présentant les mêmes dimensions transversales que la seconde partie aval (28b) de l’organe d’arrivée (28), et
    - des déflecteurs secondaires (34), s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal (X), le long de l’ouverture latérale (30), au moins entre le déflecteur principal (32) et la première partie amont (28a) de l’organe d’arrivée (28).
  2. Mélangeur (10) selon la revendication 1, dans lequel la paroi intérieure (19) présente une forme générale cylindrique à base circulaire.
  3. Mélangeur (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première partie amont (28a) de l’organe d’arrivée (28) présente une forme générale cylindrique à base circulaire, la seconde partie aval (28b) s’étendant dans le prolongement de la première partie amont (28a) et présentant les mêmes dimensions radiales que cette partie amont (28a).
  4. Mélangeur (10) selon les revendications 2 et 3, dans lequel l’organe d’arrivée (28) s’étend coaxialement à la paroi intérieure (19).
  5. Mélangeur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ouverture latérale (30) s’étend circonférentiellement sur une moitié de l’organe d’arrivée (28).
  6. Mélangeur (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe d’arrivée (28) présente des dimensions transversales supérieures à la moitié des dimensions transversales de la paroi intérieure (19) considérées dans les mêmes directions.
  7. Mélangeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque déflecteur secondaire s’étend radialement entre l’organe d’arrivée (28) et la paroi intérieure (19) du corps principal (18).
  8. Système d’échappement (12) d’un moteur à combustion, comprenant une conduite (14) de circulation de gaz d’échappement, dans laquelle est agencé un injecteur d’une solution de réduction catalytique sélective, caractérisé en ce qu’il comporte un mélangeur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, agencé en aval de la conduite de circulation, l’organe d’arrivée (18) étant connecté fluidiquement à cette conduite de circulation (14).
  9. Véhicule, caractérisé en ce qu’il comporte un système d’échappement (12) selon la revendication 8.
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