Brevet FR2957119A1 — publié le 20110909

CHAMBRE DE MELANGE D'UN PRODUIT REDUCTEUR A DES GAZ D'ECHAPPEMENT [0001] L'invention concerne la dépollution de gaz d'échappement, et en particulier la dépollution de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne équipant la plupart des véhicules automobiles contiennent un certain nombre de polluants dont il est souhaitable de réduire les rejets dans l'atmosphère (notamment des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés et des particules). Les réglementations applicables en matière de pollution par des véhicules automobiles abaissent régulièrement les plafonds de rejets acceptables. [0003] Une grande partie des polluants générés par un moteur à combustion interne est due à une combustion incomplète du carburant. Une première stratégie de réduction des rejets polluants consiste à réduire la quantité des polluants pénétrant dans la ligne d'échappement. Une deuxième stratégie de réduction des rejets polluants consiste à réaliser un post-traitement des gaz traversant la ligne d'échappement. [0004] Pour réaliser un post-traitement, la plupart des véhicules sont désormais équipés d'un convertisseur catalytique comprenant un catalyseur d'oxydation (pour oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés) et un catalyseur de réduction (pour réduire les oxydes d'azote en des molécules non nocives). [0005] Le catalyseur d'oxydation est disposé dans un boîtier monté dans la ligne d'échappement. Le boîtier renferme un support ou substrat revêtu d'un matériau actif. Le substrat est généralement constitué d'un corps monolithique en céramique en forme de nid d'abeille formant des canaux destinés à être traversés par les gaz d'échappement. Les principaux composants du corps sont généralement de l'alumine ou des alumino-silicates dopés par de la zircone (cordiérite, mullite, mullite-zircone). Le revêtement en matériaux actifs peut être composé de métaux précieux combinés tels que le platine, le palladium ou le rhodium. [0006] Le catalyseur de réduction est disposé en aval du catalyseur d'oxydation dans le flux des gaz d'échappement, du fait que le catalyseur d'oxydation oxyde le monoxyde d'azote en dioxyde d'azote. Le catalyseur de réduction est fréquemment constitué d'un support poreux revêtu d'une couche de zéolithe. [0007] Afin de réduire au maximum les émissions d'oxyde d'azote, un procédé appelé SCR (pour Selective Catalyst Reduction en langue anglaise) est mis en oeuvre. Un tel procédé consiste à injecter, en amont du catalyseur de réduction, un produit réducteur dans les gaz d'échappement. Il est notamment connu de réaliser l'injection d'une solution aqueuse d'urée (produits précurseurs de l'ammoniac NH3) ou l'injection d'ammoniac gazeux dans les gaz d'échappement. [0008] Les procédés de type SCR nécessitent une température du catalyseur de réduction relativement importante (au moins supérieure à 100°C) pour que le rendement de réduction des oxydes d'azote soit optimal. Ainsi, pour favoriser une dépollution rapide après un démarrage du moteur à combustion interne, par exemple pour des véhicules utilisés en milieu urbain, certains véhicules comprennent un boîtier incluant le catalyseur d'oxydation et le catalyseur de réduction, ce boîtier étant disposé dans le flux des gaz échappement à proximité du moteur. La déperdition de chaleur des gaz d'échappement étant réduite avant d'atteindre le boîtier, la montée en température du catalyseur de réduction est plus rapide. [0009] Pour réaliser un procédé de type SCR, le boîtier comprend une chambre de mélange traversée par les gaz d'échappement et dans laquelle le produit réducteur est injecté. La chambre de mélange est interposée entre le catalyseur d'oxydation et le catalyseur de réduction. [0010] L'utilisation d'un boîtier à proximité du moteur favorise une dépollution rapide et une réduction de la consommation de carburant. Cependant, le volume disponible dans le compartiment moteur est sans cesse plus réduit. La taille du boîtier contenant les catalyseurs doit donc être réduite au maximum, souvent au détriment de la qualité du mélange entre le produit réducteur et les gaz d'échappement. Lorsque le mélange atteignant l'entrée du catalyseur de réduction est moins homogène, son rendement de réduction des oxydes d'azote est abaissé. Par ailleurs, le produit réducteur ne peut pas être injecté en amont du catalyseur d'oxydation sans générer une quantité importante d'oxydes d'azote. [0011] En pratique, l'injection d'une solution aqueuse d'urée a été favorisée industriellement. En effet, l'alimentation du circuit d'injection en urée au niveau du compartiment moteur s'avère relativement aisée en implantant un réservoir d'urée compact. L'injection d'urée nécessite cependant un ensemble de processus physico-chimiques séquentiels assez longs : tout d'abord l'injection de la solution aqueuse d'urée, l'atomisation du jet d'urée en gouttes puis en gouttelettes, l'évaporation et la décomposition chimique de ces gouttelettes en ammoniac gazeux et enfin le mélange de l'ammoniac gazeux avec les gaz d'échappement. Dans le volume disponible dans le compartiment moteur, ces processus physico-chimiques sont mis en oeuvre dans un volume réduit, dans lequel l'homogénéisation de l'urée injectée s'avère insatisfaisante. [0012] Les solutions consistant à injecter de l'ammoniac sous forme gazeuse dans la chambre de mélange ont été développées mais ne donnent pas entièrement satisfaction en ce qui concerne l'homogénéisation de l'ammoniac dans les gaz d'échappement. [0013] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur une chambre de mélange d'un produit réducteur à des gaz d'échappement, comprenant : [0014] -un dispositif d'injection d'un produit réducteur ; [0015] -une paroi perforée séparant la chambre de mélange en des première et deuxième zones, la première zone étant disposée en amont de la deuxième zone, le dispositif d'injection du produit réducteur étant configuré pour injecter du produit réducteur dans la première zone. [0016] La paroi perforée présente une partie médiane formant un retour en direction de l'amont de l'écoulement des gaz d'échappement et le dispositif d'injection injecte le produit réducteur à la périphérie de la première zone. [0017] Selon une variante, le dispositif d'injection comprend plusieurs injecteurs débouchant à la périphérie de la première zone. [0018] Selon encore une variante, les injecteurs sont répartis angulairement autour de la première zone. [0019] Selon une autre variante, le dispositif d'injection injecte le produit réducteur en aval de l'extrémité amont de la partie médiane de la paroi. [0020] Selon encore une autre variante, la périphérie de la paroi est exempte de perforations. [0021] Selon une variante, la paroi présente un orifice dans sa partie médiane présentant une section supérieure à la section de chacune de ses perforations. [0022] Selon encore une variante, la paroi présente une portion de forme conique ou tronconique. [0023] Selon une autre variante, la paroi présente une partie périphérique fixée à un conduit de guidage des gaz d'échappement délimitant les première et deuxième zones, et la partie médiane de la paroi est disposée en amont de la partie périphérique pour former une poche de retenue de gaz d'échappement. [0024] L'invention porte également sur un convertisseur catalytique comprenant : [0025] -une chambre de mélange telle que décrite ci-dessus ; [0026] -un catalyseur de réduction ; [0027] -un catalyseur d'oxydation ; [0028] -un boîtier dans lequel sont logés le catalyseur de réduction, le catalyseur d'oxydation et la chambre de mélange. [0029] L'invention porte en outre sur un véhicule comprenant un moteur à combustion interne et un convertisseur catalytique tel que décrit ci-dessus, le véhicule comportant un compartiment moteur dans lequel le moteur à combustion interne et le convertisseur catalytique sont logés. [0030] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : • la figure 1 est une vue de dessus schématique d'un véhicule au niveau de son compartiment moteur ; • la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un moteur à combustion interne muni d'un convertisseur catalytique à couplage rapproché ; • la figure 3 est une vue en coupe transversale du convertisseur catalytique au niveau d'une chambre de mélange de produit réducteur ; • la figure 4 est une vue en coupe axiale du convertisseur catalytique de la figure 3 ; • la figure 5 est une vue en coupe agrandie de la chambre de mélange illustrant des écoulements gazeux. [0031] L'invention propose une chambre de mélange disposée dans l'écoulement de gaz d'échappement, typiquement en amont du catalyseur de réduction. La chambre de réduction est destinée à recevoir un produit réducteur, tel que de l'ammoniac gazeux. La chambre de mélange présente une zone d'injection et une zone d'homogénéisation séparées par une paroi perforée, la zone d'homogénéisation étant disposée en aval de la zone d'injection. La paroi présente une partie médiane formant un retour en direction de l'amont de l'écoulement des gaz échappement et un dispositif d'injection injecte le produit réducteur à la périphérie de la zone d'injection. [0032] La paroi forme une retenue pour le produit réducteur introduit dans la zone d'injection. L'invention permet ainsi de réaliser un mélange optimal entre les gaz d'échappement et le produit réducteur dans la zone d'injection. Le mélange des gaz d'échappement avec le produit réducteur est alors particulièrement homogène lorsqu'il atteint le catalyseur de réduction. Une optimisation de l'homogénéité du mélange permet d'utiliser des réglages du moteur augmentant son rendement de combustion et réduisant sa consommation. Ainsi, le moteur pourra générer des gaz d'échappement à plus haute température et contenant plus d'oxydes d'azote, ce qui sera compensé par l'efficacité améliorée du catalyseur de réduction. Ce mélange ne nécessite en outre pas une chambre de mélange de grande dimension, ce qui est favorable à l'optimisation de l'encombrement dans le compartiment moteur. L'invention s'avère donc particulièrement avantageuse pour un convertisseur catalytique du type à couplage rapproché (désigné par `close coupled' en langue anglaise). [0033] La figure 1 est une vue schématique de dessus d'un véhicule automobile 1. Le véhicule 1 comprend dans sa partie avant un compartiment moteur 50 placé entre des passages de roues 13. Un moteur à combustion interne 10 est logé dans le compartiment moteur 50. Le moteur 10 présente des chambres de combustion débouchant dans un collecteur d'échappement 11. Le collecteur d'échappement 11 est raccordé à un convertisseur catalytique 20. Le convertisseur catalytique 20 est placé dans le compartiment moteur 50, et est donc situé à proximité du moteur 10. Le convertisseur catalytique 20 est donc du type à couplage rapproché du moteur. Le convertisseur catalytique 20 comprend un catalyseur d'oxydation 201, une chambre de mélange 221 et un catalyseur de réduction 251, disposés dans cet ordre d'amont en aval dans l'écoulement des gaz d'échappement. Le catalyseur de réduction 251 débouche sur une tubulure d'échappement 12. Le catalyseur de réduction 251 peut être spécifiquement conçu pour mettre en oeuvre un procédé SCR. Dans l'exemple illustré, la tubulure d'échappement 12 débouche dans un filtre à particules 281 au niveau de l'extrémité arrière du véhicule 1. [0034] Selon une variante du dispositif le convertisseur catalytique 20 peut également comprendre un catalyseur d'oxydation 201, une chambre de mélange 221, un catalyseur de réduction des oxydes d'azote 251 et un filtre à particules 281, les deux derniers regroupés sur une brique, disposés dans cet ordre d'amont en aval dans l'écoulement des gaz d'échappement. La tubulure du collecteur d'échappement 11 débouche dans le convertisseur catalytique 20. Le convertisseur catalytique 20 débouche alors dans la tubulure d'échappement 12. [0035] Le moteur 10 illustré est un moteur de type diesel. Le catalyseur d'oxydation 201 est en l'occurrence un catalyseur d'oxydation diesel. L'invention s'applique bien entendu également à un moteur à allumage commandé. [0036] La figure 2 est une vue en coupe partielle du moteur à combustion 10 associé au convertisseur catalytique 20. Le moteur 10 comprend une structure connue en soi et ne sera pas détaillé davantage. Comme illustré à la figure 2, le convertisseur catalytique 20 est du type à couplage rapproché du moteur, ce qui favorise sa vitesse de montée en température et la réduction de la consommation de carburant. Le convertisseur catalytique 20 peut ainsi être logé dans le compartiment moteur 50. [0037] Le convertisseur catalytique 20 présente des injecteurs d'ammoniac gazeux 30 formant un dispositif d'injection dans la chambre de mélange 221. Ces injecteurs 30 sont commandés par un circuit de commande 40 et alimentés en ammoniac gazeux par un circuit non représenté. [0038] Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe d'un convertisseur catalytique au niveau d'une chambre de mélange 221 selon un mode de réalisation de l'invention. La chambre de mélange 221 présente avantageusement une section transversale circulaire. La chambre de mélange 221 comprend une zone d'injection 227 en communication avec le catalyseur d'oxydation 201 afin d'en recevoir les gaz d'échappement. La chambre de mélange 221 comprend par ailleurs une zone d'homogénéisation 228 en communication avec le catalyseur de réduction 251 afin de lui fournir les gaz d'échappement ayant traversé la chambre de mélange 221. La zone d'homogénéisation est ainsi placée en aval de la zone d'injection par rapport à l'écoulement des gaz d'échappement. La zone d'injection 227 et la zone d'homogénéisation 228 sont séparées par une paroi perforée 230. La paroi perforée 230 présente des perforations 225 au niveau de sa partie médiane 226. La partie médiane 226 forme un retour en direction de l'amont de l'écoulement des gaz d'échappement. Les injecteurs 30 sont implantés dans un conduit 222 et débouchent à la périphérie de la zone d'injection 227. Les injecteurs 30 sont ainsi adaptés pour injecter de l'ammoniac gazeux à la périphérie de la zone d'injection 227. [0039] La combinaison d'un retour formé par la partie médiane de la paroi de séparation 230 et par une injection périphérique de l'ammoniac gazeux optimise la qualité du mélange entre l'ammoniac gazeux et les gaz d'échappement avant que les gaz d'échappement n'atteignent la zone d'homogénéisation 228. Le retour de la partie médiane de la paroi de séparation 230 forme une retenue pour les gaz d'échappement au niveau de la périphérie de la zone d'injection 227, favorisant le mélange entre l'ammoniac et les gaz d'échappement avant leur passage dans la zone d'homogénéisation 228. En effet, le temps de contact entre les gaz d'échappement et l'ammoniac est alors accru. Une telle configuration permet notamment d'accroître la turbulence au niveau de la zone d'injection 227. La partie médiane 226 est en l'occurrence placée en amont de la partie périphérique 224 qui relie la paroi 230 au conduit 222. Ainsi, une poche périphérique est formée pour retenir les gaz d'échappement et optimiser leur mélange. La partie médiane 226 pourra par exemple être considérée comme s'étendant sur la moitié de la section transversale de la paroi 230. [0040] Dans l'exemple illustré, on utilise plusieurs injecteurs 30 débouchant à la périphérie de la zone d'injection afin de répartir l'introduction de l'ammoniac gazeux dans les gaz d'échappement. Avantageusement, les injecteurs sont répartis angulairement autour de la chambre de mélange 221 pour optimiser le mélange sur toute la périphérie de la zone d'injection 227. [0041] Avantageusement, les injecteurs 30 injectent l'ammoniac gazeux en aval de l'extrémité amont de la partie médiane 226 de la paroi de séparation 230. Par ailleurs, la périphérie 224 de la paroi de séparation 230, par laquelle la paroi 230 est fixée au conduit 222, est exempte de perforations. Par de telles mesures, on favorise une retenue des gaz d'échappement dans la périphérie de la zone d'injection 227 et un mélange optimal de l'ammoniac gazeux avant que ce mélange n'atteigne la zone d'homogénéisation 228. Une fois que le mélange a atteint la zone d'homogénéisation 228, l'homogénéisation du mélange entre les gaz d'échappement et l'ammoniac gazeux se poursuit avant que les gaz d'échappement n'atteignent le catalyseur de réduction 251. [0042] Dans l'exemple illustré, la paroi de séparation 230 présente un orifice 229 dans sa partie médiane 226, cet orifice présentant une section de passage supérieure à la section de chacune des perforations 225. L'orifice pourra par exemple présenter une section au moins 10 fois supérieure à la section d'une perforation 225. Cet orifice 229 favorise un écoulement des gaz d'échappement vers la zone d'homogénéisation avec des pertes de charges réduites. L'orifice 229 est avantageusement entouré par un épaulement ménagé dans la partie médiane 226, afin d'accroître la déviation de l'écoulement des gaz d'échappement. On peut également envisager que la paroi 230 s'étende jusqu'à son centre géométrique et présente alors des perforations dans sa partie médiane pour permettre l'écoulement des gaz d'échappement. En pratique, les gaz d'échappement peuvent passer de la zone d'injection 227 à la zone d'homogénéisation 228 soit par l'intermédiaire de cet orifice 229, soit par l'intermédiaire des perforations 225 de la paroi 230. [0043] La paroi de séparation 230 illustrée présente avantageusement une forme tronconique pouvant être réalisée aisément à moindre coût. La paroi 230 est disposée dans la chambre de mélange 221 de sorte que le sommet de la forme tronconique soit localisé en amont de la paroi de séparation 230. [0044] Afin de favoriser un mélange optimal des gaz d'échappement avec l'ammoniac gazeux, la périphérie de la chambre de mélange est avantageusement disposée dans l'alignement de la périphérie du catalyseur d'oxydation 201. Ainsi, les gaz d'échappement atteignent aisément la zone dans laquelle l'ammoniac gazeux est injecté. [0045] La paroi de séparation 230 est avantageusement réalisée en acier ou en tout autre matériau apte à résister aux températures des gaz d'échappement. [0046] Avantageusement, le catalyseur d'oxydation 201, la chambre de mélange 221 et le convertisseur de réduction 251 sont logés dans un même boîtier dans lequel est intégré le conduit 222. L'encombrement global et le coût de fabrication du convertisseur catalytique 20 sont alors optimisés. La chambre de mélange 221 est délimitée de part et d'autre par le catalyseur de réduction 251 et par le catalyseur d'oxydation 201. La chambre de mélange 221 raccorde ainsi directement le catalyseur de réduction 251 et le catalyseur d'oxydation 201. Les flèches illustrent l'écoulement des gaz d'échappement dans le convertisseur catalytique 20. [0047] Le dispositif d'injection peut être prévu pour être alimenté en ammoniac gazeux ou en tout autre produit réducteur, en phase gazeuse ou liquide. [0048] L'invention n'est bien entendu pas limitée à l'implantation de la chambre de mélange décrite. La chambre de mélange peut ainsi être accolée à un catalyseur de réduction distant du moteur, ou à une ligne d'échappement dans laquelle le catalyseur d'oxydation est distant de la chambre de mélange. REVENDICATIONS1. Chambre de mélange (221) d'un produit réducteur à des gaz d'échappement, comprenant : -un dispositif d'injection (30) d'un produit réducteur ; -une paroi perforée (230) séparant la chambre de mélange en des première et deuxième zones, la première zone étant disposée en amont de la deuxième zone, le dispositif d'injection du produit réducteur étant configuré pour injecter du produit réducteur dans la première zone (227) ; caractérisée en ce que la paroi perforée (230) présente une partie médiane (226) formant un retour en direction de l'amont de l'écoulement des gaz d'échappement et le dispositif d'injection (30) injecte le produit réducteur à la périphérie de la première zone (227). 2. Chambre de mélange selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif d'injection comprend plusieurs injecteurs (30) débouchant à la périphérie de la première zone. 3. Chambre de mélange selon la revendication 2, dans laquelle les injecteurs (30) sont répartis angulairement autour de la première zone (227). 4. Chambre de mélange selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif d'injection injecte le produit réducteur en aval de l'extrémité amont de la partie médiane (226) de la paroi. 5. Chambre de mélange selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la périphérie (224) de la paroi (230) est exempte de perforations. 30 6. Chambre de mélange selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la paroi (230) présente un orifice (229) dans sa partie médiane présentant une section supérieure à la section de chacune de ses perforations. 35 7. Chambre de mélange selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la paroi (230) présente une portion de forme conique ou tronconique. 8. Chambre de mélange selon l'une quelconque des revendications 40 précédentes, dans laquelle la paroi (230) présente une partie périphérique (224) fixée à un conduit de guidage des gaz d'échappement (222) délimitant les première et deuxième zones, et dans laquelle la partie médiane (226) de25la paroi est disposée en amont de la partie périphérique (224) pour former une poche de retenue de gaz d'échappement. 9. Convertisseur catalytique (20) comprenant : -une chambre de mélange (221) selon l'une quelconque des revendications précédentes ; - un catalyseur de réduction (251) ; - un catalyseur d'oxydation (201) ; - un boîtier (222) dans lequel sont logés le catalyseur de réduction, le catalyseur d'oxydation et la chambre de mélange. 10. Véhicule (1) comprenant un moteur à combustion interne (10) et un convertisseur catalytique (20) selon la revendication 9, le véhicule comportant un compartiment moteur (50) dans lequel le moteur à combustion interne et le convertisseur catalytique sont logés.