FR3110466A1 - Mélangeur de réducteur pour gaz d’échappement - Google Patents

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Laurent Poinsot
Alain ENGEL
Philippe ROLLIN
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Abstract

L’invention concerne un mélangeur (1) pour mélanger un gaz d’échappement et un réducteur, comprenant une boîte (2) fermée et étanche à l’exclusion d’une entrée (3) et d’une sortie (4), dans laquelle circule le gaz d’échappement depuis l’entrée (3) jusqu’à la sortie (4) et un pulvérisateur (5) de réducteur, disposé de manière à pouvoir pulvériser le réducteur dans la circulation de gaz d’échappement, la boîte (2) présentant une forme sensiblement cylindrique avec un fond (6), un couvercle (7), une paroi (8) extérieure et un déflecteur (9), le fond (6) et le couvercle (7) étant sensiblement plats, se superposant sensiblement parallèlement et formant les faces du cylindre, la paroi (8) joignant les périmètres du fond (6) et du couvercle (7) et formant la génératrice du cylindre, le couvercle (7) et la paroi (8) étant réalisés de matière, le déflecteur (9) étant une paroi intérieure joignant le fond (6) et le couvercle (7) sensiblement perpendiculairement et le fond (6) et le déflecteur (9) étant réalisés de matière. Figure d’abrégé : Figure 1

Description

Mélangeur de réducteur pour gaz d’échappement
L’invention concerne le domaine des mélangeurs 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 une solution aqueuse d’urée : AdBlue, DEF, avec le gaz d’échappement, pour préparer le traitement du mélange par un réducteur catalytique sélectif (en anglais : « selective catalytic reductor » ou SCR) afin de réduire les oxydes d’azotes.
Pour réaliser un tel mélangeur, il est connu différentes architectures. Selon un mode de réalisation possible, un mélangeur comprend une boîte fermée et étanche à l’exception d’une entrée et d’une sortie. Le gaz d’échappement circule au travers de la boîte, de l’entrée jusqu’à la sortie. Le mélangeur comprend encore un pulvérisateur apte à pulvériser dans la boîte un réducteur, de manière à ce que le réducteur pulvérisé se mélange avec le gaz d’échappement circulant dans la boîte.
Il est encore connu, pour optimiser le mélange réducteur/gaz d’échappement, de pulvériser le réducteur dans un flot de gaz de la plus grande longueur possible afin d’augmenter le temps circulation en commun des deux composants et ainsi améliorer le mélange. Pour cela, alors que l’espace disponible dans un compartiment moteur et/ou échappement est généralement contingenté, il est encore connu d’utiliser un déflecteur, disposé dans la boîte, et apte à dévier le flot de gaz d’échappement, afin de créer un chemin de circulation le plus long possible dans le volume restreint alloué au mélangeur.
Selon un mode de réalisation, la boîte présente une forme sensiblement cylindrique. Les faces du cylindre forment respectivement le fond du mélangeur et son couvercle. Les faces sont sensiblement planes, de même forme, et se superposent de manière sensiblement parallèle. La génératrice du cylindre forme une paroi extérieure, joignant le périmètre du fond et le périmètre du couvercle, sensiblement perpendiculairement au fond et au couvercle.
Il est encore connu de réaliser le couvercle de matière avec la paroi. Ceci permet une réalisation par emboutissage, d’une pièce unique, assurant la fonction de paroi et simultanément la fonction de couvercle.
Le déflecteur, de manière connue, peut être une paroi intérieure, disposée dans la boîte, joignant le fond et le couvercle, sensiblement perpendiculairement, à l’intérieur des périmètres du fond et du couvercle.
Du fait de la température élevée induite par le gaz d’échappement, un mélangeur et tous ses composants, sont généralement réalisés en matériau métallique. Compte tenu de la température, le moyen d’assemblage des différents composants est principalement la soudure.
Pour assurer une étanchéité au gaz, un assemblage par soudure est possible. Il est assez simple de souder à l’extérieur de la boîte. Aussi, l’étanchéité avec l’extérieur de la boîte peut ainsi être réalisée.
Cependant, il peut s’avérer plus délicat de souder des composants à l’intérieur de la boîte, soit tout particulièrement l’assemblage du déflecteur avec le couvercle. Ceci peut compromettre l’étanchéité intérieure. Si une fuite apparaît, le gaz d’échappement va disposer d’un raccourci et pouvoir circuler plus rapidement entre l’entrée et la sortie. Ceci risque d’oblitérer la mise en contact du gaz d’échappement et du réducteur et ainsi de perturber la fonction du mélangeur.
L’alternative à la soudure pour réaliser une étanchéité est de réaliser un contact/appui des deux pièces à étancher, l’une contre l’autre. Ceci nécessite des tolérances de fabrication précises.
Avec des techniques de poinçonnage, formage, emboutissage, il est difficile d’obtenir des tolérances précises. Aussi il est délicat de réaliser une étanchéité par simple contact/appui entre deux pièces, du fait des dispersions dimensionnelles. De plus, si une soudure est mise en œuvre, elle peut entraîner une déformation d’une pièce qui à son tour risque de compromettre un contact en deux pièces et donc une étanchéité.
Aussi, il est recherché d’autres paradigmes pour assurer l’étanchéité, principalement au niveau du déflecteur, tant au niveau de son interface inférieure avec le fond, qu’au niveau de son interface supérieure avec le couvercle.
Pour cela, l’invention a pour objet un mélangeur pour mélanger un gaz d’échappement et un réducteur, comprenant une boîte fermée et étanche à l’exclusion d’une entrée et d’une sortie, dans laquelle circule le gaz d’échappement depuis l’entrée jusqu’à la sortie et un pulvérisateur de réducteur, disposé de manière à pouvoir pulvériser le réducteur dans la circulation de gaz d’échappement, la boîte présentant une forme sensiblement cylindrique avec un fond, un couvercle, une paroi extérieure et un déflecteur, le fond et le couvercle étant sensiblement plats, se superposant sensiblement parallèlement et formant les faces du cylindre, la paroi joignant les périmètres du fond et du couvercle et formant la génératrice du cylindre, le couvercle et la paroi étant réalisés de matière, le déflecteur étant une paroi intérieure joignant le fond et le couvercle sensiblement perpendiculairement, où le fond et le déflecteur sont réalisés de matière.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- l’entrée est ménagée dans la paroi et la sortie est ménagée dans le fond,
- le pulvérisateur est disposé dans la paroi,
- le pulvérisateur est disposé dans une conduite commune avec l’entrée, disposée dans la paroi,
- la jonction inférieure, entre le déflecteur et le fond, présente un congé de rayon au moins égal à 2 mm, préférentiellement au moins égal à 10 mm, et encore préférentiellement au moins égal à 20 mm,
- le déflecteur présente une section, selon un plan parallèle au fond et au couvercle, sensiblement rectiligne ou sensiblement en forme de « U »,
- un déflecteur en « U » comprend encore un toit reliant, de manière étanche, les deux branches du « U » par une tôle sensiblement parallèle au couvercle,
- au moins une partie de la surface du toit, préférentiellement proche de l’entrée, ou préférentiellement la totalité, est conformée pour venir en appui contre le couvercle,
- le toit est réalisé de matière avec le déflecteur, et la jonction supérieure, entre le déflecteur et le toit, présente un arrondi de rayon au moins égal à 2 mm, préférentiellement au moins égal à 10 mm, et encore préférentiellement au moins égal à 20 mm.
Dans un deuxième aspect de l’invention, une ligne d’échappement comprenant au moins un tel mélangeur.
Dans un troisième aspect de l’invention, un véhicule automobile comprenant une telle ligne d’échappement.
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 :
illustre, en vue perspective, un mélangeur selon un premier mode de réalisation, couvercle découpé,
illustre, en vue perspective, le mélangeur de la figure 1, couvercle entier,
illustre, en vue perspective éclatée, le mélangeur de la figure 1,
illustre, en vue perspective, un mélangeur selon un autre mode de réalisation, couvercle et paroi retirés,
illustre, en vue perspective, le mélangeur de la figure 4, couvercle et paroi en place.
Un mélangeur 1 est conçu pour mélanger un gaz d’échappement est un fluide réducteur, afin de préparer une réaction catalytique visant à réduire les oxydes d’azotes, NOx afin de dépolluer le gaz d’échappement.
Pour cela, en référence à la figure 3, illustrant avec les figures 1 et 2 un premier mode de réalisation, un mélangeur 1 comprend une boîte 2 et un pulvérisateur 5 de réducteur. La boîte 2 est fermée et étanche à l’exclusion d’une entrée 3 et d’une sortie 4. Entre l’entrée 3 et la sortie 4 est arrangée une canalisation permettant une circulation du gaz d’échappement depuis l’entrée 3 jusqu’à la sortie 4. Le pulvérisateur 5 de réducteur est disposé, typiquement au travers de l’enveloppe extérieure de la boîte 2, de manière à pouvoir pulvériser le réducteur, à l’intérieur de la boîte 2, dans la circulation de gaz d’échappement, afin de réaliser le mélange.
Selon un mode de réalisation, la boîte 2 présente une forme sensiblement cylindrique. On entend par sensiblement cylindrique une forme de cylindre généralisé obtenu en translatant une forme de base, pouvant être quelconque, sensiblement parallèlement à elle-même. Un tel cylindre généralisé comprend une première face, sensiblement plate reproduisant la forme de base, une deuxième face, sensiblement parallèle et identique à la première face. La surface obtenue par balayage/translation de la surface de base, ici perpendiculairement à la surface de base, est nommée surface génératrice.
Aussi, la boîte 2, comprend un fond 6, un couvercle 7 et une paroi 8 extérieure, pour l’enveloppe extérieure. Le fond 6 et le couvercle 7 sont sensiblement plats. Ils se superposent sensiblement parallèlement et forment les faces du cylindre. La paroi 8 joint les périmètres du fond 6 et du couvercle 7 et forme la génératrice du cylindre.
Afin de réduire le nombre de pièce, le couvercle 7 et la paroi 8 peuvent avantageusement être réalisés de matière. La pièce commune qui réunit couvercle 7 et paroi 8 peut être réalisée par soudure entre couvercle 7 et paroi 8 ou encore par emboutissage d’un flan.
A l’intérieur, la boîte 2 comprend encore un déflecteur 9. Ce déflecteur 9 a pour fonction d’allonger au maximum la canalisation empruntée par le gaz d’échappement, afin d’augmenter le temps de contact avec le réducteur, et ainsi améliorer le mélange, tant quantitativement que qualitativement.
Le déflecteur 9 se présente, par exemple, comme une paroi intérieure joignant le fond 6 et le couvercle 7 sensiblement perpendiculairement. La forme du déflecteur 9 est telle qu’elle forme des chicanes s’opposant à un trajet direct du gaz d’échappement, de l’entrée 3 à la sortie 4. Il est sensiblement parallèle à la paroi 8 extérieure.
Il convient d’assembler toutes ces parties ensemble en assurant une étanchéité au gaz lorsque nécessaire. La boîte 2 peut être refermée en soudant la périphérie du fond 6 avec la bordure inférieure de la paroi 8 en regard.
La difficulté vient avec le déflecteur 9. Il peut avantageusement être soudé sur l’une des faces parmi le fond 8 et le couvercle 7. Mais le soudage sur l’autre face est plus délicat en ce que la zone à souder se retrouve nécessairement à l’intérieur de la boîte 2 et de ce fait difficilement accessible. Une alternative au difficile soudage du déflecteur 9 sur l’autre des faces parmi le fond 8 et le couvercle 7 est un contact, de préférence avec un appui pour assurer l’étanchéité. Cependant la soudure du déflecteur 9 sur la première face entraîne le plus souvent une déformation du déflecteur 9. La dispersion dimensionnelle qui s’en suit contrarie le contact avec appui sur l’autre face et ainsi l’étanchéité n’est pas garantie.
Aussi, l’assemblage du déflecteur 9 avec le fond 6 n’est pas réalisé par soudure. Selon une caractéristique de l’invention le fond 6 et le déflecteur 9 sont réalisés de matière. Ceci permet des modes de fabrication permettant d’obtenir une dispersion dimensionnelle bien plus faible. Il est alors possible d’assurer l’étanchéité entre le déflecteur 9 et le couvercle 7 par simple contact avec appui. Il peut résulter d’un tel contact entre le déflecteur 9 et le couvercle 7 une légère fuite. Une telle fuite est très inférieure au débit de l’écoulement principal, typiquement moins de 1 %. Il est aussi possible d’observer un passage de réducteur issu du pulvérisateur 5 par capillarité. Même si elle est plus délicate, une soudure du couvercle 7 avec le bord supérieur du déflecteur 9 est ici possible, par exemple par transparence, au travers du couvercle 7.
La pièce commune qui réunit le déflecteur 9 et le fond 6 peut avantageusement être réalisée par emboutissage.
Selon une autre caractéristique, l’entrée 3 est ménagée dans la tranche de la boîte 2, soit dans la paroi 8. Ceci est plus particulièrement visible aux figures 1, 2, et 5. Le pulvérisateur 5 est préférentiellement disposé de manière à pulvériser, dans la circulation de gaz d’échappement, dans une zone où cette circulation présente une partie rectiligne la plus longue possible, afin d’améliorer la qualité du mélange. L’utilisation d’une partie rectiligne la plus longue possible offre aussi l’avantage de ne pas réaliser la pulvérisation contre une surface de paroi opposée. Ceci favorise l’évaporation du liquide réducteur dans le volume de gaz d’échappement avant toute rencontre avec une paroi. Ceci est particulièrement intéressant pour un liquide réducteur à base d’urée qui pourrait créer des réactions parasites de dépôt pouvant solidifier sur la paroi. Un tel dépôt est ainsi minimisé.
Aussi, le pulvérisateur 5 est avantageusement disposé dans la paroi 8. Avantageusement, le pulvérisateur 5 est disposé directement sur le conduit d’entrée.
Selon une autre caractéristique, la sortie 4 est ménagée dans une des faces, par exemple le fond 6.
Selon une autre caractéristique, la jonction 10 inférieure, entre le déflecteur 9 et le fond 6, présente un congé. Le rayon de ce congé est au moins égal à 2 mm, préférentiellement au moins égal à 10 mm et encore préférentiellement au moins égal à 20 mm. Cette caractéristique facilite la réalisation de la pièce commune réunissant le fond et la paroi 8 en ce qu’un congé facilite un emboutissage, en ce qu’il réduit l’effort à appliquer et réduit les risques de rupture par écrouissage.
Selon une autre caractéristique, le déflecteur 9 présente une section, selon un plan parallèle au fond 6 et au couvercle 7, sensiblement rectiligne. Ceci est illustré par le mode de réalisation des figures 4 et 5.
Selon une autre caractéristique, le déflecteur 9 présente une section, selon un plan parallèle au fond 6 et au couvercle 7, sensiblement en forme de « U ». Ceci est illustré par le mode de réalisation des figures 1-3. Une telle forme en U permet de former une spirale permettant d’allonger le chemin du gaz d’échappement, afin d’améliorer le mélange du réducteur et du gaz d’échappement.
Selon une autre caractéristique, plus particulièrement visible à la figure 3, dans le cas d’un déflecteur 9 en « U », il est possible d’ajouter un toit 11 reliant, de manière étanche, les deux branches du « U ». Ce toit 11 est une tôle sensiblement parallèle au couvercle 7. Le toit 11 forme une surface en contact avec le couvercle 7 et assure ainsi une meilleure étanchéité qu’une ligne en contact. La surface de contact entre le toit 11 et le couvercle 7 est avantageusement la totalité de la surface du toit 11. Si la surface de contact est partielle, la zone à proximité de l’entrée 3 est privilégiée. Cette caractéristique permet de bloquer une fuite réalisant un évitement du déflecteur 9 par le gaz, et ce au plut tôt, soit au plus près de l’entrée 3. Le contact est réalisé avec appui au moyen d’un ajustement serré réalisé lors du montage. De plus, si l’étanchéité n’est pas parfaite et laisse une fuite, cette fuite se produit entre une branche du U et l’autre branche et non directement avec la sortie 4. A l’instar du contact linéaire entre le bord supérieur du déflecteur 9 et le couvercle 7 une légère fuite est possible. Du fait de la surface de contact, relativement à une ligne, cette fuite est encore réduite. Il est aussi possible d’observer un passage de réducteur issu du pulvérisateur 5 par capillarité. Comme précédemment, même si elle est plus délicate, une soudure du couvercle 7 avec le toit 11 est ici possible, selon une ligne ou sur la surface de contact, par exemple par transparence, au travers du couvercle 7.
Selon une autre caractéristique, le toit 11 est réalisé de matière avec le déflecteur 9. Cette caractéristique permet avantageusement de réaliser une pièce commune réunissant le toit 11 et le déflecteur 9, et donc le fond 6, par exemple, par emboutissage.
Comme vu précédemment, une réalisation par emboutissage bénéficie d’une forme douce, présentant un certain rayon, plutôt qu’une arrête vive. Aussi, selon une autre caractéristique, la jonction 12 supérieure, entre le déflecteur 9 et le toit 11, présente avantageusement un arrondi. Le rayon de cet arrondi est au moins égal à 2 mm, préférentiellement au moins égal à 10 mm, et encore préférentiellement au moins égal à 20 mm.
Tel que visible à la figure 3, deux palettes 13, 14 peuvent être disposées dans la sortie 4 afin de guider le mélange de gaz d’échappement et de réducteur vers l’entrée 16 de l’élément suivant 17, typiquement un catalyseur SCR. La pièce 15 assure une interface avec l’élément suivant 17.
La jonction 10 inférieure, arrondie entre le déflecteur 9 et le fond 6, peut également servir à guider le mélange de gaz d’échappement et de réducteur vers l’entrée 16 de l’élément suivant 17.
L’invention concerne encore une ligne d’échappement comprenant au moins un tel mélangeur 1.
L’invention concerne encore un véhicule automobile comprenant une telle ligne d’échappement.
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,
3 : entrée,
4 : sortie,
5 : pulvérisateur,
6 : fond,
7 : couvercle,
8 : paroi,
9 : déflecteur,
10 : jonction inférieure,
11 : toit,
12 : jonction supérieure,
13, 14 : palettes,
15 : interface,
16 : entrée de l’élément suivant,
17 : élément suivant.

Claims (11)

  1. Mélangeur (1) pour mélanger un gaz d’échappement et un réducteur, comprenant une boîte (2) fermée et étanche à l’exclusion d’une entrée (3) et d’une sortie (4), dans laquelle circule le gaz d’échappement depuis l’entrée (3) jusqu’à la sortie (4) et un pulvérisateur (5) de réducteur, disposé de manière à pouvoir pulvériser le réducteur dans la circulation de gaz d’échappement, la boîte (2) présentant une forme sensiblement cylindrique avec un fond (6), un couvercle (7), une paroi (8) extérieure et un déflecteur (9), le fond (6) et le couvercle (7) étant sensiblement plats, se superposant sensiblement parallèlement et formant les faces du cylindre, la paroi (8) joignant les périmètres du fond (6) et du couvercle (7) et formant la génératrice du cylindre, le couvercle (7) et la paroi (8) étant réalisés de matière, le déflecteur (9) étant une paroi intérieure joignant le fond (6) et le couvercle (7) sensiblement perpendiculairement, caractérisé en ce que le fond (6) et le déflecteur (9) sont réalisés de matière.
  2. Mélangeur (1) selon la revendication précédente, où l’entrée (3) est ménagée dans la paroi (8) et où la sortie (4) est ménagée dans le fond (6).
  3. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le pulvérisateur (5) est disposé dans la paroi (8).
  4. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes où le pulvérisateur (5) est disposé dans une conduite commune avec l’entrée (3), disposée dans la paroi (8).
  5. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où la jonction (10) inférieure, entre le déflecteur (9) et le fond (6), présente un congé de rayon au moins égal à 2 mm, préférentiellement au moins égal à 10 mm, et encore préférentiellement au moins égal à 20 mm.
  6. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le déflecteur (9) présente une section, selon un plan parallèle au fond (6) et au couvercle (7), sensiblement rectiligne ou sensiblement en forme de « U ».
  7. Mélangeur (1) selon la revendication précédente, où un déflecteur (9) en « U » comprend encore un toit (11) reliant, de manière étanche, les deux branches du « U » par une tôle sensiblement parallèle au couvercle (7).
  8. Mélangeur (1) selon la revendication précédente, au moins une partie de la surface du toit (11), préférentiellement proche de l’entrée (3), ou préférentiellement la totalité, est conformée pour venir en appui contre le couvercle (7).
  9. Mélangeur (1) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, où le toit (11) est réalisé de matière avec le déflecteur (9), et où la jonction (12) supérieure, entre le déflecteur (9) et le toit (11), présente un arrondi de rayon au moins égal à 2 mm, préférentiellement au moins égal à 10 mm, et encore préférentiellement au moins égal à 20 mm.
  10. Ligne d’échappement comprenant au moins un mélangeur (1) selon l’une quelconque des revendications précédente.
  11. Véhicule automobile comprenant une ligne d’échappement selon la revendication précédente.
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