Brevet FR2956698A1 — publié le 20110826

Elément de ligne d'échappement et ligne d'échappement comportant un tel élément d'échappement Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un élément de ligne d'échappement comprenant un mélangeur de gaz et concerne plus particulièrement le domaine du traitement des polluants par catalyse à l'aide d'un agent réducteur. Arrière-plan technologique Depuis de nombreuses années, les constructeurs de véhicules automobiles à moteur thermique font beaucoup d'efforts pour réduire l'émission dans l'atmosphère de composés chimiques nuisibles à l'environnement produits par les moteurs thermiques lors de la combustion du carburant. Parmi ces composés, on les oxydes d'azote, principalement le monoxyde NO et le dioxyde NO2 d'azote, désignés ensemble sous l'abréviation NON. Pour limiter l'émission des oxydes d'azote dans l'atmosphère, une solution actuellement utilisée consiste à placer sur la ligne d'échappement du véhicule un système de traitement des NON, appelé système SCR (« Selective Catalytic Reduction »), ayant pour fonction de réduire chimiquement les oxydes d'azote en molécules de di-azote et en vapeur d'eau au moyen d'un agent réducteur. En pratique, l'agent réducteur est injecté dans la ligne d'échappement en amont d'un catalyseur spécifique SCR dans lequel se produit la réaction de réduction. On distingue deux voies SCR, l'une avec un agent réducteur précurseur de l'ammoniac tel qu'une solution aqueuse d'urée et l'autre avec comme agent réducteur de l'ammoniac, NH3, gazeux. La SCR avec urée a été préalablement favorisée pour des raisons d'implantation véhicule. La solution aqueuse d'urée nécessitant un réservoir, le circuit d'alimentation du liquide est relativement simple. Cette voie a par contre l'inconvénient de nécessiter un ensemble de processus physico-chimiques séquentiels longs : l'injection de la solution aqueuse d'urée, l'atomisation du spray d'urée en gouttes puis gouttelettes, l'évaporation et la décomposition chimique de ces gouttelettes en NH3 et enfin le mélange du NH3 avec les gaz d'échappement. Par ailleurs, étant donné l'espace disponible dans la ligne d'échappement pour les phénomènes injection/mélange, la solution SCR avec la solution aqueuse d'urée complique fortement l'homogénéisation de réducteur avec l'oxydant. L'autre voie explorée est la SCR avec de l'ammoniac, NH3 gazeux. Dans ce cas, l'ammoniac est injecté sous forme de gaz directement dans les gaz d'échappement où il doit ensuite s'y mélanger. Il est connu de laisser une distance adéquate entre l'injecteur d'agent réducteur et le catalyseur SCR pour permettre l'obtention d'un mélange homogène le plus achevé possible entre les gaz d'échappement et l'agent réducteur. Afin d'améliorer l'homogénéité de ce mélange et de raccourcir la distance nécessaire à l'homogénéisation, il est connu d'avoir recours à un mélangeur dit statique, c'est-à-dire sans pièce mobile, positionné à l'intérieur du conduit d'échappement, entre le point d'injection d'agent réducteur dans les gaz d'échappement et l'entrée du catalyseur SCR. On connait en particulier du document FR2921415 une ligne d'échappement comprenant un mélangeur statique, destiné à être disposé à l'intérieur de ladite ligne d'échappement. Le mélangeur en question comprend une zone centrale pleine et comporte une pluralité d'ailes autour de la zone centrale et s'étendant autour de la zone centrale pleine. La ligne d'échappement comprend en outre des moyens de pulvérisation d'un liquide contenant une espèce chimique réductrice, les gouttelettes de liquide projetées formant un cône s'évasant en direction du mélangeur. Cependant un tel dispositif nécessite d'une part un moyen d'injection sophistiqué car comprenant une buse de pulvérisation du liquide sous forme de gouttelettes et d'autre part n'est pas suffisant pour réellement permettre la préparation efficace et l'obtention d'un mélange homogène entre les gaz d'échappement et de l'ammoniac sur une courte distance axiale à partir du point d'injection. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un nouvel élément d'échappement permettant une préparation efficace et l'obtention d'un mélange homogène entre les gaz d'échappement et un agent gazeux tel que de l'ammoniac sur une courte distance axiale à partir du point d'injection. L'invention concerne donc un élément de ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un conduit principal s'étendant selon un axe longitudinal35 et amenant les gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne vers un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote, au moins un conduit d'introduction d'un agent gazeux pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote débouchant en saillie dans le conduit principal par au moins un orifice d'introduction, ledit conduit d'introduction étant disposé, relativement au sens d'écoulement des gaz d'échappement, en amont du catalyseur, un mélangeur disposé entre le conduit d'introduction et le catalyseur, caractérisé en ce que le mélangeur comprend un axe de rotation parallèle à l'axe longitudinal, au moins une paire d'aubes symétriques autour de l'axe de rotation, montées libres en rotation et disposées de sorte que la circulation des gaz d'échappement dans le conduit principal entraine les aubes en rotation et que les deux aubes de ladite paire passent, au cours de leur rotation, successivement dans un flux d'agent réducteur gazeux introduit par un orifice d'introduction. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : De préférence, les orifices d'introduction sont décentrés par rapport à l'axe longitudinal. Pour des raisons de simplicité de réalisation, de préférence, chaque aube est une plaque plane rectangulaire. Dans une variante, chacune des aubes est portée par un bras monté libre en rotation autour de l'axe de rotation. De préférence, l'axe de rotation est confondu avec l'axe longitudinal, ainsi le mélangeur 25 est centré dans le conduit principal. De préférence, l'axe de rotation est fixé sur le conduit d'introduction. Dans une autre variante, l'axe de rotation est maintenu par au moins une tige de fixation 30 reliant l'axe de rotation au conduit principal. Dans une variante, le mélangeur comprend un convergent périphérique, pour permettre une accélération des gaz d'échappement et accroitre la vitesse de rotation du mélangeur. 35 Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet une ligne d'échappement dans laquelle circule des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne, ladite ligne comprenant un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote, caractérisée en ce 20 qu'elle comprend un élément d'échappement de l'invention disposé en amont du catalyseur de réduction sélective. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 présente schématiquement un premier mode de réalisation de l'invention. - La figure 2 présente schématiquement un second mode de réalisation de l'invention. - La figure 3 présente en vue de face un troisième mode de réalisation de l'invention. - La figure 4 présente un quatrième mode de réalisation de l'invention. Description détaillée La figure 1 présente une portion de ligne d'échappement 1 de gaz brûlés produits par un moteur à combustion interne, non représenté ici. La ligne d'échappement 1 comprend un conduit 2 principal, s'étendant selon un axe longitudinal et central XX, dans lequel circule un flux 3 de gaz brûlés ou gaz d'échappement et raccordé à un catalyseur 4 de réduction sélective (ou SCR), pour la réduction des oxydes d'azote NOx présents dans les gaz d'échappement, par réaction catalytique sélective entre les NOx et un agent réducteur. Par agent réducteur, il convient d'entendre un agent pouvant réagir chimiquement avec des polluants pour les transformer en des produits moins polluants. Le catalyseur 4 est doté d'une face d'entrée 8 le plus souvent perpendiculaire au sens d'écoulement des gaz d'échappement. En amont du catalyseur 4 SCR, relativement au sens d'écoulement des gaz d'échappement, sont disposés des moyens d'injection de l'agent réducteur comprenant un conduit 5 d'introduction d'un flux 6 d'agent réducteur. Le conduit d'introduction 5 traverse le conduit 1 principal pour déboucher en saillie dans ce dernier et permettre l'injection d'agent réducteur par un orifice d'introduction 7. De préférence, l'agent réducteur est un agent réducteur gazeux. De préférence encore l'agent réducteur gazeux est de l'ammoniac, l'espèce chimique directement impliquée dans la réduction catalytique des oxydes d'azote. Dans ce premier mode de réalisation présenté en figure 1, et conformément à l'invention, il est prévu de disposer dans la ligne 1 d'échappement, entre le catalyseur 4 SCR et le conduit 5 d'introduction d'ammoniac, un mélangeur 9 rotatif. Le mélangeur 9 rotatif comprend un ensemble d'aubes encore nommé aubage. L'aubage est monté fou, c'est-à-dire en rotation libre autour d'un axe 11 support de rotation. L'axe 11 de rotation peut être une tige métallique sur laquelle l'aubage est monté libre en rotation. Dans ce premier mode de réalisation, l'aubage du mélangeur 9 est formé d'une paire d'aubes 10, 10' symétriques par rapport à l'axe 11 de rotation et montées libre en rotation autour de ce dernier. Pour des raisons de simplicité de réalisation, les aubes 10, 10' ont de préférence la forme d'une plaque plane rectangulaire. Les aubes peuvent cependant avoir des formes plus complexes, telles que des surfaces courbées ou concaves évoquant des réceptacles, tant qu'elles assurent le fonctionnement décrit plus loin. Dans ce premier mode de réalisation, et comme illustré en figure 1, chacune des aubes 10, 10' est solidaire d'un bras porteur référencé individuellement respectivement 12, 12'. De plus, les aubes 10, 10' sont disposées dans le prolongement de leur bras porteur respectif. L'aube peut être fixée à son bras porteur par un moyen de fixation connu de l'homme de l'art tel qu'un point de soudure, un rivet, etc. Les bras porteurs peuvent être avantageusement des tiges métalliques de faibles sections transversales de sorte à ne générer que peu de perte de charge dans les gaz d'échappement. L'extrémité du bras porteur opposée à celle portant l'aube est solidaire de moyens 13 de guidage en rotation connus de l'homme de l'art tel que, à titre d'exemple un palier ou un roulement à bille. Ces moyens 13 de guidage permettent la rotation libre de l'aubage autour de l'axe 11 de rotation. De préférence, les bras porteurs 12, 12' sont disposés en opposition par rapport à l'axe 11 de rotation et alignés selon un axe YY perpendiculaire à l'axe central XX. Dans ce premier mode de réalisation préféré, l'axe 11 de rotation est fixé sur le conduit 5 d'introduction. Ainsi le conduit 5 d'introduction assure le maintien du mélangeur 9 rotatif dans le conduit 2 principal. De préférence encore, l'axe 11 de rotation du mélangeur 9 est fixé au conduit 5 d'introduction, confondu avec l'axe central XX. Les aubes 10, 10' sont positionnées sur leur bras porteur 12, 12' respectif de sorte qu'au cours de leur mouvement circonférentiel elles passent successivement en regard de l'orifice 7 d'introduction d'ammoniac. Pour ce faire, la position de l'orifice 7 de d'introduction de l'ammoniac est décentrée par rapport à l'axe central XX. Le fonctionnement est alors le suivant : D'une part, le flux 6 de gaz d'échappement provenant du fonctionnement du moteur à combustion vient au cours de son passage au travers des aubes 10, 10' exercer une poussée sur ces dernières, ce qui, grâce à une inclinaison approprié des aubes 10,10' vis-à-vis du flux de gaz d'échappement, entraîne l'ensemble dans un mouvement de rotation comme illustré par les flèches 14. D'autre part, le flux 6 d'ammoniac est introduit dans les gaz 3 d'échappement par l'orifice 7 d'introduction. Les aubes 10, 10', au cours de leur déplacement, passent successivement à hauteur de l'orifice 7 d'injection et dévient dans leur course le flux d'ammoniac introduit par l'orifice de son trajet originel pour le disperser et le brasser dans les gaz 6 d'échappement. Les gaz d'échappement 3 ainsi mélangés à l'ammoniac viendront arroser le catalyseur 4 SCR sur l'intégralité de la surface 8 d'entrée. L'invention n'est pas limitative de ce premier mode de réalisation. La figure 2 présente un second mode de réalisation de l'invention. Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que le conduit 5 d'introduction comprend un second orifice 7' d'introduction d'ammoniac et le mélangeur 9 comprend une seconde paire d'aubes 15, 15' disposées sur la même paire d'arbres porteurs 12, 12' entre l'axe 11 de rotation et la première paire d'aubes 10, 10'. Chacune des aubes 15, 15' de la seconde paire d'aubes est solidaire de leur arbre porteur respectif 12, 12'. La seconde paire d'aubes est disposé de sorte qu'au cours de leur mouvement circonférentiel autour de l'axe 11 de rotation, chaque aube 15, 15' passe successivement en regard du second orifice 7' d'introduction d'ammoniac. Les orifices 7, 7' d'introduction sont décentrés par rapport à l'axe longitudinal. La figure 3 présente maintenant en vue de face un troisième mode de réalisation de l'invention. Ce troisième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que le mélangeur 9 comprend une seconde paire d'aubes 16, 16' portée sur une seconde paire de bras porteurs référencés respectivement 17, 17'. Dans ce mode de réalisation, les aubes 16, 16' sont disposées dans le prolongement de leur bras porteur respectif, l'extrémité du bras porteur opposée à celle portant l'aube étant solidaire des moyens 13 de guidage en rotation. Les aubes peuvent être de surfaces différentes pour moduler la la distribution de l'ammoniac dans le conduit 2 principal. Les bras porteurs 17, 17' sont disposés en opposition par rapport à l'axe 11 de rotation et alignés selon un axe ZZ perpendiculaire à l'axe YY et à l'axe central XX, non visible sur la figure 3 car perpendiculaire au plan de la figure 3. La figure 4 présente un quatrième mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, le mélangeur 9 comprend un convergent 18 périphérique. Le convergent 18 assure l'accélération des gaz d'échappement le traversant, ce qui permet l'exercice d'une poussée plus importante sur les aubes 10, 10', donc une vitesse de rotation de l'aubage plus important et par conséquent un brassage plus important du flux d'ammoniac débouchant de l'orifice d'introduction avec les gaz d'échappement . En cinquième mode de réalisation non représenté, l'axe 11 de rotation peut être maintenu par au moins une tige de fixation reliant l'axe 11 de rotation au conduit 2 principal. Les cinq modes de réalisation précités ne sont pas limitatifs de l'invention. L'essentiel de l'invention est que les aubes coopèrent avec les orifices d'introduction de manière à ce que les différents flux d'agent réducteur gazeux introduits dans le conduit principal par les orifices soient déviés par le passage des aubes dans les dits flux. Afin de pouvoir dévier efficacement les flux d'ammoniac, les aubes passe à une distance D (voir en figure 1) du conduit 5 d'introduction, à proximité des orifices 7 d'introduction comprise entre une distance minimum Dmin et une distance maximum Dmax. D'une part, la distance, Dmin, du conduit d'introduction doit être suffisante pour au moins laisser un jeu suffisant permettant d'éviter le risque de contact entre l'aube et le conduit 5 d'introduction. En pratique, la distance Dmin peut être comprise entre 0,1 et 1 mm. D'autre part, la distance, Dmax, du conduit d'introduction doit être suffisante pour que l'aube puisse brasser efficacement l'ammoniac. En pratique, la distance Dmax peut être comprise entre 20 et 30 mm. Par ailleurs, une aube présente une surface S (voir en figure 1) comprise entre une surface minimum, Smin, et une surface maximum, Smax, pour assurer le brassage de l'ammoniac. D'une part, la surface minimum, Smin, correspond sensiblement à la surface débitante de l'orifice 7 d'introduction. A titre indicatif, la surface débitante d'un orifice d'introduction d'ammoniac peut être de l'ordre de 20 mm2. De plus, la surface maximum, Smax, est égale à 1/2n de la section du conduit principal prise orthogonalement à l'axe longitudinal XX au niveau du mélangeur 9, n étant le nombre d'aubes total du mélangeur 9. Selon une autre variante, le flux d'agent réducteur peut être introduit dans le conduit principal par plusieurs conduits d'introduction. Les conduits d'introduction peuvent déboucher dans le conduit principal par plusieurs orifices d'introduction. Le mélangeur peut comprendre plusieurs paires de bras porteurs et chaque paire de bras porteurs peut porter plusieurs paires d'aubes disposées à différentes hauteurs et de manière appropriée afin que chacun des différents flux d'agent réducteur introduit par les orifices soit balayés par au moins une paire d'aubes. De plus, la position de l'aube par rapport à l'axe de rotation ainsi que la surface de l'aube permettent de moduler leur vitesse circonférentielle ainsi que la distribution de l'ammoniac. L'invention présente de nombreux avantages : elle ne nécessite pas de moteur d'entrainement des aubes qui sont muent par l'énergie cinétique des gaz d'échappement, l'invention est dont une solution simple et économique pour brasser de manière active les gaz. En outre, l'invention est peu encombrante et génère une faible perte de charge à l'intérieur du conduit principal. Revendications1. Elément de ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un conduit (2) principal s'étendant selon un axe longitudinal (XX) et amenant les gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne vers un catalyseur (4) de réduction sélective des oxydes d'azote, au moins un conduit (5) d'introduction d'un agent gazeux pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote débouchant en saillie dans le conduit (2) principal par au moins un orifice (7) d'introduction, ledit conduit (5) d'introduction étant disposé, relativement au sens d'écoulement des gaz d'échappement, en amont du catalyseur (4), un mélangeur (9) disposé entre le conduit (5) d'introduction et le catalyseur (4), caractérisé en ce que le mélangeur (9) comprend un axe (11) de rotation parallèle à l'axe longitudinal (XX), au moins une paire d'aubes (10, 10') symétriques autour de l'axe (11) de rotation, montées libres en rotation et disposées de sorte que la circulation des gaz d'échappement dans le conduit (2) principal entraine les aubes (10, 10') en rotation et que les deux aubes (10, 10') de ladite paire passent, au cours de leur rotation, successivement dans un flux d'agent réducteur gazeux introduit par un orifice (7) d'introduction. 2. Elément de ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices (7) d'introduction sont décentrés par rapport à l'axe longitudinal (XX). 3. Elément de ligne d'échappement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque aube (10, 10') est une plaque plane rectangulaire. 4. Elément de ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce chacune des aubes (10, 10') est portée par un bras (12, 12') monté libre en rotation autour de l'axe (11) de rotation. 5. Elément de ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe (11) de rotation est confondu avec l'axe longitudinal (XX). 6. Elément de ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe (11) de rotation est fixé sur le conduit (5) d'introduction. 7. Elément de ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'axe (11) de rotation est maintenu par au moins une tige de fixation reliant l'axe (11) de rotation au conduit (2) principal. 8. Elément de ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélangeur (9) comprend un convergent (18) périphérique. 9. Ligne d'échappement dans laquelle circule des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne, ladite ligne comprenant un catalyseur (4) de réduction sélective des oxydes d'azote, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes disposé en amont du catalyseur (4) de réduction sélective.