Brevet FR2977913A1 — publié le 20130118

DISPOSITIF D'INTRODUCTION ET DE MELANGE D'UN LIQUIDE DANS UNE PORTION D'UN CONDUIT [0001] L'invention concerne le domaine des mélangeurs d'un liquide introduit dans une portion de conduit. Elle s'applique notamment aux mélangeurs d'un liquide introduite dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion. [0002] Les mélangeurs ont pour fonction de mélanger de la façon la plus homogène possible un fluide injecté dans la ligne d'échappement avec les gaz d'échappement produit par un moteur à combustion. [0003] Le fluide est directement injecté dans la ligne d'échappement par un injecteur sans passer par le moteur à combustion. [0004] Par exemple, il a déjà été proposé d'injecter un précurseur d'un réducteur en amont d'un catalyseur de réduction catalytique sélective, également connue sous l'acronyme anglais SCR (Selective Catalytic Reduction). [0005] Dans la suite de cette description, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement des gaz d'échappement. [0006] Un catalyseur SCR permet de réduire sélectivement, et donc traiter, les oxydes d'azote (ou NON), en présence d'un réducteur. Cette réduction s'effectue dans un milieu contenant généralement un excès d'air. Le réducteur peut être un ou des hydrocarbures, ou des espèces hydrocarbonées partiellement oxydées ou de l'ammoniac. Pour mettre en présence le catalyseur SCR et le réducteur, il a été proposé d'injecter en amont du catalyseur SCR un précurseur du réducteur. Un précurseur est un composé générant le réducteur par décomposition chimique. [0007] Par exemple, de l'ammoniac, agissant comme agent réducteur, peut être généré à partir d'une solution aqueuse d'urée selon les réactions chimiques décrites dans la demande de brevet FR2873158. La transformation de l'urée par thermolyse a lieu aux alentours de 180 °C. [0008] De manière générale, un fonctionnement du catalyseur SCR, permettant à la fois un traitement efficace des oxydes d'azote tout en évitant les fuites d'ammoniac à l'échappement nécessite que l'agent réducteur (qu'il soit obtenu par décomposition d'un précurseur ou directement introduit dans la ligne d'échappement) atteigne la face d'entrée du catalyseur SCR en étant mélangé de manière homogène aux gaz d'échappement. Les réactions chimiques ayant alors lieu sur le catalyseur SCR sont décrites dans la demande de brevet FR2873158. [0009] La décomposition du précurseur en réducteur nécessite un certain temps. Il en va de même pour la simple diffusion homogène d'un réducteur directement introduit dans la ligne d'échappement. Ainsi, classiquement, l'injecteur du précurseur est placé à l'entrée d'une section la ligne d'échappement et le catalyseur SCR se trouve en sortie de cette section. La section présente une longueur telle que le temps de parcours de la section par le précurseur injecté soit suffisant pour permettre sa décomposition en réducteur (ou la diffusion homogène dans les gaz d'échappement du réducteur injecté). Mais l'emploi d'une section de grande longueur est problématique tant en termes d'implantation que de génération de pertes thermiques préjudiciables au bon fonctionnement du catalyseur SCR. [0010] Ces pertes thermiques réduisent l'efficacité du catalyseur SCR et des organes de dépollution situés en aval de cette section. De plus, à cause de la longueur de cette section, le dispositif de dépollution des gaz d'échappement n'est pas compact. [0011] Afin de favoriser le mélange du réducteur ou la décomposition et le mélange d'un précurseur d'agent réducteur, il est connu d'employer un dispositif nommé mélangeur. Il existe plusieurs types de mélangeurs, qui peuvent notamment favoriser le mélange par augmentation de la distance parcourue par les gaz d'échappement pour une même longueur de section, et/ou par génération de turbulences dans le conduit d'échappement. [0012] Les mélangeurs permettant un mélange efficace connus dans l'état de la technique présentent néanmoins deux inconvénients majeurs : d'une part, ils génèrent une perte de charge non négligeable, et d'autre part, l'efficacité du mélange est très dépendante de la dynamique des gaz s'écoulant dans le conduit. En conséquence, dans le cadre de l'application au mélange d'un liquide dans les gaz d'échappement d'un moteur, l'efficacité du mélange est dépendante des conditions de fonctionnement du moteur. [0013] L'invention vise à proposer un dispositif d'introduction et de mélange d'un liquide dans une portion de conduit permettant un mélange efficace tout en générant une faible charge, et surtout permettant un mélange peu dépendant du flux des gaz s'écoulant dans la portion de conduit. [0014] Plus précisément, l'invention porte donc sur un dispositif d'introduction et de mélange d'un liquide dans une portion d'un conduit, comportant : ladite portion de conduit ; un injecteur pour l'introduction du liquide ; et une pluralité d'impacteurs disposés de sorte à être impactés par le liquide injecté, et répartis tridimensionnellement dans la portion de conduit. Cela peut permettre d'éviter l'obtention d'une mauvaise répartition du réducteur dans le flux des gaz parcourant la portion de conduit, et en particulier l'obtention d'une forte concentration de liquide introduit dans une zone opposée à l'injecteur (car un jet d'injecteur a tendance à se concentrer à une distance définie du point d'injection). La répartition tridimensionnelle des impacteurs permet la répartition du liquide [0015] De préférence, le dispositif comporte au moins trois impacteurs. Cela permet par exemple une répartition dans la profondeur du liquide injecté, à trois distances échelonnées de l'injecteur. [0016] Dans une variante de l'invention dans laquelle la portion de conduit est droite, les projections orthogonales des zones des impacteurs impactées par le liquide, sur un plan orthogonal à l'axe principal de la portion de conduit, présentent de préférence une répartition régulière. [0017] De préférence, le barycentre des projections orthogonales de zones des impacteurs impactées par le liquide est confondu avec le barycentre de la surface projetée de la portion de conduit dans le plan. Le liquide injecté sera donc sensiblement réparti de manière égale autour du centre du conduit. [0018] De préférence, l'injecteur est du type multi-jet. [0019] De préférence, chaque jet de l'injecteur impacte un impacteur différent. Il est ainsi possible de maîtriser parfaitement la répartition du liquide injecté dans la portion de conduit, chaque jet étant spécifiquement affecté a l'introduction du liquide dans une zone déterminée de la portion de conduit. [0020] De préférence, chaque impacteur est constitué d'une plaquette fixée dans la portion de conduit. C'est un mode de réalisation simple et efficace d'un impacteur. [0021] De préférence, les plaquettes sont alors disposées parallèlement à l'axe principal de la portion de conduit. Cela permet de limiter au maximum les pertes de charge générées par les impacteurs et s'opposant à la libre circulation d'un fluide dans la portion de conduit. [0022] Dans une variante de l'invention dans laquelle la portion de conduit est cylindrique droite, les plaquettes sont préférentiellement orientées de sorte à entrainer le réducteur injecté en rotation autour de l'axe principal de la portion de conduit. Ainsi, une fois réalisée la répartition du liquide dans le flux gazeux circulant dans la portion de conduit, le mouvement de rotation induit peut parfaire l'homogénéisation du mélange. [0023] Dans l'application préférentielle de l'invention, la portion de conduit est une portion d'un conduit d'échappement d'un moteur à combustion. [0024] De préférence, l'injecteur est un injecteur de réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. [0025] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0026] La figure 1 présente une vue schématique en trois dimensions d'un dispositif conforme à une première variante de l'invention. [0027] La figure 2 présente une vue schématique en deux dimensions d'un dispositif conforme à la première variante de l'invention selon un premier mode de réalisation. [0028] La figure 3 présente une vue schématique en deux dimensions d'un dispositif conforme à la première variante de l'invention selon un second mode de réalisation. [0029] La figure 4 présente une vue schématique en trois dimensions d'un dispositif conforme à une seconde variante de l'invention. [0030] La figure 5 présente une vue schématique en deux dimensions d'un dispositif conforme à la seconde variante de l'invention. [0031] Les figures 6 à 12 présentent une vue schématique en deux dimensions d'autres variantes de l'invention. [0032] La figure 1 présente donc un dispositif selon une variante de l'invention, selon une vue schématique en trois dimensions. La portion de tube 1 est représentée en transparence afin de rendre apparent le reste du dispositif. Un injecteur 2 permet l'introduction d'un liquide dans la portion de conduit. Le liquide en question peut typiquement être un réducteur SCR, c'est-à-dire un agent réducteur sous forme liquide ou un précurseur d'un tel agent réducteur. [0033] L'injecteur 2 peut être du type à jet 3 unique (cas présenté en figure 2) ou préférentiellement du type multi jet, c'est-à-dire présentant une buse à plusieurs orifices afin de produire autant de jets 3 qu'il y a d'orifices (cas présenté sur toutes les figures sauf la figure 2). [0034] Des impacteurs 4 sont disposés tridimensionnement dans la portion de conduit, c'est-à-dire typiquement de manière échelonnée dans les trois directions du volume intérieur de la portion de conduit afin d'intercepter le cône d'injection de l'injecteur (cône défini par le jet 3 unique ou par l'enveloppe des jets 3 de l'injecteur). [0035] Les impacteurs 4 sont préférentiellement constitué de simples plaquettes. Dans le cadre d'une portion de conduit d'échappement, il s'agira préférentiellement de plaquettes métalliques, rapportées et fixées par soudure dans le conduit. Les plaquettes formant impacteur 4 sont préférentiellement disposées parallèlement au flux des gaz s'écoulant dans la portion de conduit 1, afin de limiter les pertes de charges qu'elles générèrent. Dans le cadre d'une portion de conduit cylindrique droite, les plaquettes sont donc préférentiellement disposées parallèlement à l'axe principal de la portion de conduit 1. [0036] Les plaquettes peuvent ne pas être strictement perpendiculaires au jet les impactant respectivement, et ainsi permettre de diffuser partiellement le jet dans une direction donnée. Selon une variante, les plaquettes peuvent aussi avoir des formes optimisées afin de générer des turbulences ou réorienter le réducteur injecté sur la plaquette considérée vers une zone déterminée. [0037] L'ensemble des plaquettes peuvent également être orientées de sorte à créer un mouvement de rotation global (tel que présenté en figure 12), autour de l'axe principal de la portion de conduit lorsque celle-ci est cylindrique droite, pour favoriser l'homogénéisation du mélange entre le liquide injecté les gaz circulant dans la portion de conduit [0038] Dans le cas préférentiel d'un injecteur multi-jets, les jets 3 sont respectivement orientés vers un impacteur 4. Selon la variante de l'invention considérée, plusieurs jets 3 peuvent être orientés vers un même impacteur 4, ou bien il peut y avoir autant d'impacteurs que de jets 3 chaque jet 3 étant dirigé vers un impacteur distinct. [0039] La figure 2 présente une vue en deux dimensions du dispositif selon la variante de l'invention présentée en figure 1, avec un échelonnement régulier en profondeur par rapport à l'injecteur 2 avec un injecteur à jet 3 unique. La figure 3 présente une variante avec la même répartition des impacteurs 4 mais un injecteur du type à jets multiples. [0040] Les impacteurs présentent une zone d'impact 41 sur laquelle le ou les jets 3 sont projetés. [0041] Les vues présentées aux figures 2, 3, 5 et 6 à 11 permettent de voir la répartition des zones d'impacts 41 des impacteurs 4, dans un plan orthogonal au flux des gaz d'échappement, donc à l'axe principal de la portion de conduit 1 lorsque cette dernière est droite. Cette répartition conditionne l'homogénéité de la répartition, en sortie de la portion de tube 1, du liquide introduit. [0042] En effet, le ou les jets 3 impactant les impacteurs 4 sont répartis dans le flux de gaz circulant dans la portion de conduit en étant interceptés et éclatés au niveau des zones d'impact 41. La projection orthogonale des zones d'impact 41 sur un plan orthogonal à l'axe principal de la portion de conduit doit donc présenter une répartition assez régulière pour permettre une répartition assez homogène du liquide dans les gaz à la sortie de la portion de conduit 1. Chaque zone d'impact 41 des impacteurs 4 se comporte en effet dans la portion de conduit 1 comme un point d'injection du liquide introduit. [0043] Les figures 6, 7, 8, 9 et 10 présentent une telle répartition régulière. Le barycentre des points de projection des zones d'impact 41 sur un plan orthogonal à l'axe principal est pour cela situé au centre de la portion de conduit 1, cylindrique droite dans les exemples présentés (le centre correspondant au barycentre du disque projeté). [0044] La figure 6 présente une répartition de la projection des zones d'impact de trois impacteurs en triangle équilatéral. [0045] La figure 7 présente une répartition de la projection des zones d'impact de trois impacteurs en carré. [0046] La figure 8 ajoute à la répartition en carré de la figure 7 un point d'impact central. [0047] La figure 9 présente une autre répartition en carré. [0048] La figure 10 présente une répartition en carré, avec en outre une inclinaison des impacteurs de sorte que l'impacteur est sensiblement perpendiculaire au(x) jet(s) 3 qui l'impacte(nt), de sorte que l'éclatement du jet sur l'impacteur est amélioré. [0049] Cette dernière caractéristique est en outre compatible des variantes de l'invention ne présentant pas une répartition avec un barycentre des projections des zones d'impact centrée sur l'axe central de la portion de conduit 1, tel qu'on le voit notamment dans la variante de l'invention présentée en figure 11. [0050] L'invention propose ainsi un dispositif optimisé d'introduction, de répartition et de mélange d'un liquide pulvérisé par un injecteur dans un conduit. Ces fonctions sont réalisée de manière peut dépendante du flux des gaz s'écoulant dans le conduit. Les pertes de charge s'opposant à l'écoulement du flux des gaz sont également limitées. [0051] L'invention trouve son application principale dans le domaine des moteurs à combustion pour l'introduction d'un réducteur SCR dans la ligne d'échappement du moteur. Elle peut en particulier être appliquée à un véhicule automobile comportant un moteur à combustion. REVENDICATIONS: 1. Dispositif d'introduction et de mélange d'un liquide dans une portion d'un conduit, comportant : ladite portion de conduit (1) ; - un injecteur (2) pour l'introduction du liquide ; et une pluralité d'impacteurs (4) disposés de sorte à être impactés par le liquide injecté, et répartis tridimensionnellement dans la portion de conduit (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, comportant au moins trois impacteurs (4). 3. Dispositif selon la revendication 2, la portion de conduit (1) étant droite, dans lequel les projections orthogonales des zones des impacteurs (4) impactées par le liquide, sur un plan orthogonal à l'axe principal de la portion de conduit (1), présentent une répartition régulière. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le barycentre des projections orthogonales de zones des impacteurs (4) impactées par le liquide est confondu avec le barycentre de la surface projetée de la portion de conduit (1) dans le plan. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'injecteur (2) est du type multi-jet. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel chaque jet (3) de l'injecteur (2) impacte un impacteur (4) différent. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque impacteur (4) est constitué d'une plaquette fixée dans la portion de conduit (1). 8. Dispositif selon la revendication 7, la portion de conduit (1) étant droite, dans lequel les plaquettes sont disposées parallèlement à l'axe principal de la portion de conduit (1). 9. Dispositif selon la revendication 8, la portion de conduit (1) étant cylindrique droite, dans lequel les plaquettes sont orientées de sorte à entrainer le réducteur injecté en rotation autour de l'axe principal de la portion de conduit (1). 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la portion de conduit (1) est une portion d'un conduit d'échappement d'un moteur à combustion. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel l'injecteur (2) est un injecteur de réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote.5