Brevet FR2966515A1 — publié le 20120427

PROCEDE DE STANDARDISATION D'UN MOYEN D'INTRODUCTION DE FLUIDE DANS UN CONDUIT D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION, ET ENSEMBLE DE VEHICULES ASSOCIE [0001] L'invention porte sur le domaine des systèmes d'introduction d'un fluide dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion. Elle porte en particulier sur le domaine de l'introduction d'un agent réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azotes, telle une solution d'urée, dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion. [0002] Les émissions de gaz polluants par un moteur à combustion, notamment dans une application à un véhicule automobile, sont réglementées par des normes de plus en plus sévères. Ces normes portent notamment sur le niveau d'émission d'oxydes d'azote (ou NOx). [0003] Afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote, on connaît un dispositif de réduction catalytique, appelé dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azotes, qui consiste à les faire réagir sur un catalyseur spécifique installé dans la ligne d'échappement du moteur, à l'aide d'un agent réducteur introduit dans la ligne en amont du catalyseur. [0004] On emploie indifféremment l'expression « réduction catalytique sélective » ou l'acronyme SCR (de l'anglais « selective catalytic reduction »). Le système d'injection de réducteur à l'échappement permet de convertir les émissions d'oxyde d'azote en vapeur d'eau et en azote. [0005] Le réducteur introduit, qui est communément une solution d'urée, qui est précurseur d'ammoniac employé comme agent réducteur, doit être mélangé aux gaz d'échappement de la manière la plus homogène possible afin de garantir la meilleure efficacité de conversion possible, en employant par ailleurs le moins de réducteur possible, tout en limitant les risques de rejet d'agent réducteur dans l'atmosphère. L'optimisation de l'aérodynamique dans cette zone peut également permettre d'éviter tout phénomène d'encrassement, pouvant conduire à une détérioration des performances des moyens d'injection, ou de l'homogénéité du mélange. [0006] L'écoulement des gaz d'échappement dans le conduit d'échappement autour du moyen d'introduction du réducteur (typiquement un injecteur) peut théoriquement être optimisé en jouant sur sa géométrie générale. [0007] Cependant, les contraintes d'implantation d'une ligne d'échappement d'un moteur, par exemple dans le cadre d'une application automobile, empêchent généralement l'obtention d'une géométrie optimale du conduit. Selon les contraintes conduisant à des géométries de conduit d'échappement différentes, il est donc généralement nécessaire d'adapter le module d'injection de réducteur ou de précurseur de réducteur : type d'injecteur, pression d'injection, type de buse d'injection employée, disposition de l'injecteur par rapport au conduit d'échappement ou au catalyseur SCR, géométrie de la zone de mélange, etc. [0008] Une telle optimisation est cependant coûteuse et consommatrice de temps. [0009] Dans l'invention, on résout ce problème par la mise en place d'un déflecteur adapté en amont de la zone de mélange du réducteur, permettant de conserver les mêmes moyens d'injection (injecteur, disposition, etc.) pour toute application, le déflecteur permettant l'obtention de conditions aérauliques de référence. Un déflecteur s'entend au sens large comme une pièce mécanique permettant de dévier tout ou partie d'un flux gazeux, il pourra notamment s'agir d'un diffuseur ou d'un répartiteur. [0010] Plus précisément, l'invention porte sur un procédé de standardisation de moyens d'introduction d'un fluide dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion, comportant les étapes de : caractérisation d'un écoulement aéraulique de référence des gaz d'échappement, souhaité en aval des moyens d'introduction ; définition d'un dispositif de référence, comportant un conduit d'échappement de référence et des moyens d'introduction (2) de fluide de référence, conformés pour générer l'écoulement aéraulique souhaité ; définition d'un conduit d'échappement adapté, répondant aux contraintes d'implantation d'une application donnée ; application des moyens d'introduction de fluide de référence au conduit d'échappement adapté, définition et mise en place dans le conduit d'échappement adapté, en amont des moyens d'introduction, d'un déflecteur conformé pour générer en aval desdits moyens l'écoulement aéraulique de référence. L'emploi d'un tel procédé permet de standardiser les moyens d'introduction de fluide à diverses application, économisant ainsi des coûts et du temps de définition et de mise au point de ces moyens. La génération d'un écoulement aéraulique contrôlé dans la zone située directement en aval des moyens d'introduction est importante, car cette zone est la zone de mélange du fluide introduit dans les gaz d'échappement circulant dans le conduit. L'obtention de l'aéraulique de référence permet de limiter cette zone à quelques centimètres ou quelques dizaines de centimètres avant obtention d'un mélange homogène entre le fluide introduit et les gaz d'échappement circulant dans le conduit d'échappement. [0011] De préférence, le déflecteur est conformé par adaptation d'au moins un des paramètres suivants : forme, taille, position dans le conduit d'échappement. L'adaptation d'un ou plusieurs de ces paramètres permet la génération de l'aéraulique de référence dans le conduit d'échappement en aval dudit déflecteur, et en particulier dans la zone de mélange du fluide introduit dans le conduit d'échappement. [0012] Un procédé selon l'invention sera préférentiellement mis en jeu dans un procédé de standardisation d'un moyen d'introduction de réducteur ou de précurseur de réducteur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote présent dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion. [0013] L'invention porte également sur l'application d'un procédé selon l'invention à un ensemble de véhicules automobiles présentant des conduits d'échappement de géométries différentes. [0014] . Typiquement, l'application du procédé pourra porter sur une gamme commerciale de véhicules d'un même constructeur automobile. [0015] L'invention porte également sur un ensemble de véhicules automobiles comportant au moins deux véhicules, dotés de conduits d'échappement dans lesquels sont disposés des moyens d'introduction de fluide identiques, les conduits des véhicules présentant des géométries différentes, chaque véhicule présentant dans son conduit d'échappement un déflecteur géométriquement différent, positionné en amont des moyens d'introduction de fluide et générant un écoulement aéraulique identique en aval desdits moyens d'introduction (2). C'est le résultat même de l'application d'un procédé selon l'invention à un tel ensemble de véhicules. [0016] De préférence, dans un tel ensemble auquel l'invention est appliquée, les moyens d'introduction de fluide comportent chacun un porte injecteur et un injecteur, identiques entre deux véhicules. [0017] De préférence, le déflecteur diffère alors entre deux véhicules par au moins un des paramètres suivants : forme, taille, position dans le conduit d'échappement. [0018] De préférence, le conduit d'échappement de chaque véhicule est doté d'un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. C'est en effet dans le cadre de la catalyse SCR que l'invention trouve un intérêt tout particulier. [0019] Les moyens d'introduction sont alors préférentiellement des moyens d'introduction d'une solution d'urée, ou d'ammoniac. [0020] L'invention est décrite plus en détail et en références aux figures présentant l'art antérieur et l'invention selon des modes de réalisation préférentiels. [0021] La figure 1 présente schématiquement selon une vue en coupe le dispositif de référence pour la mise en ceuvre de l'invention. [0022] La figure 2 présente schématiquement selon une vue en coupe un premier dispositif permettant la mise en ceuvre de l'invention. [0023] La figure 3 présente schématiquement selon une vue en coupe un deuxième dispositif permettant la mise en ceuvre de l'invention. [0024] La figure 4 présente schématiquement selon une vue en coupe un troisième dispositif permettant la mise en ceuvre de l'invention. [0025] La figure 5 présente schématiquement une vue en trois dimensions d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention [0026] La figure 1 présente un dispositif de référence utilisé dans l'invention, à savoir le dispositif permettant l'obtention de l'écoulement aéraulique souhaité. Un conduit 1 d'échappement permet l'évacuation et le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion. Les gaz d'échappement circulent essentiellement selon une direction principale d'écoulement D. Des moyens d'introduction 2 d'un fluide dans le conduit 1 d'échappement équipent ledit conduit 1 d'échappement. Les moyens d'introduction 2 comportent un injecteur 21 et un porte injecteur 22, qui permet la fixation et la mise en communication fluidique de l'injecteur 21 et du conduit d'échappement 1. [0027] Les moyens d'introduction 2 de fluide peuvent en particulier être destinés à l'introduction d'un agent réducteur (ou d'un précurseur d'un tel agent réducteur) en amont d'un catalyseur SCR (non représenté). Ils sont ici disposés coaxialement à la portion de conduit dans laquelle le mélange homogène du fluide dans les gaz d'échappement est réalisé. [0028] Les notions d'amont et d'aval sont, dans l'ensemble du présent document, considérées selon la direction principale d'écoulement D des gaz d'échappement. [0029] Le fluide introduit dans le conduit 1 d'échappement doit être mélangé de manière homogène le plus rapidement possible, c'est-à-dire dans la zone du conduit 1 en aval des moyens d'introduction 2 la plus courte possible. Par ailleurs, l'aéraulique dans la zone du conduit 1 à proximité des moyens d'injection doit en éviter l'encrassement. Le dispositif de référence présenté en figure 1 est conçu pour répondre à ces problématiques par la génération d'un écoulement aéraulique des gaz d'échappement adéquat. Ceci est obtenu par adaptation de la géométrie de la conduit, par un choix d'injecteur 21 adapté, et un porte injecteur optimisé quant à sa géométrie. [0030] La géométrie du conduit 1 de référence peut être définie de plusieurs façons, selon le but recherché ou l'application considérée. Dans le cadre de l'application de l'invention à des véhicules automobiles, on choisit par exemple, pour la définition de la référence, la géométrie du conduit 1 autour des moyens d'injection 2 qui pourra être sur une majorité de véhicules d'une gamme (typiquement la gamme proposée par constructeur automobile présentant une motorisation dont les gaz d'échappement sont dépollués à l'aide d'un catalyseur SCR) tout en permettant la génération de conditions aérauliques adaptées. Il est également possible de définir la géométrie du conduit 1 de référence en moyennant les caractéristiques de différents conduits employés dans une gamme de véhicule. [0031] La figure 2 présente un premier dispositif permettant la mise en ceuvre de l'invention. Par rapport au dispositif présenté en figure 1, les caractéristiques géométriques du conduit 1 sont légèrement différentes autour de la zone d'introduction du fluide. Typiquement, les rayons de courbures présentés par le conduit 1 en amont des moyens d'introduction 2, ou encore la section du conduit 1, sont différents, de sorte que l'application des moyens d'injection (notamment de l'injecteur et du porte injecteurs) tels que définis dans le dispositif de référence, ne permettent pas l'obtention de l'aéraulique souhaitée dans le conduit 1. Néanmoins, dans l'invention, on emploie tout de même des moyens d'injection identiques et ainsi standardisés d'une application à l'autre. [0032] Afin de compenser la différence de géométrie du conduit 1, un déflecteur 4 est positionné dans le conduit 1, en amont de la zone d'introduction de fluide dans le conduit 1, afin de permettre le même écoulement aéraulique des gaz d'échappement que dans le dispositif de référence. [0033] La figure 3 présente schématiquement selon une vue en coupe un deuxième dispositif permettant la mise en ceuvre de l'invention. La figure 3 correspond donc à une seconde application, présentant une géométrie de conduit 1 différente de celle présentée en figure 1 et de celle présentée en figure 2. Dans cette nouvelle application, tout comme dans le dispositif présenté en figure 2, on conserve les moyens d'introduction 2 de fluide (typiquement les mêmes injecteur et porte injecteur) que dans le dispositif de référence. Par rapport au dispositif présenté en figure 2, on équipe le conduit d'un déflecteur 4 légèrement plus long, afin de retrouver l'écoulement aéraulique de référence. [0034] Le déflecteur 4 employé dans l'invention sera donc différent d'une application à l'autre, et pourra notamment varier en taille, en position dans le conduit 1 en amont de la zone d'introduction de fluide, en géométrie, et/ou en toute autre caractéristique technique. Le déflecteur 4 sera préférentiellement constitué du même matériau que le conduit 1 d'échappement, mais son épaisseur pourra généralement être plus faible. [0035] La figure 4 présente schématiquement selon une vue en coupe un troisième dispositif permettant la mise en ceuvre de l'invention, et notamment sa mise en ceuvre dans le cadre d'une géométrie de conduit 1 d'échappement fortement contrainte. Une contrainte structurelle 5 (par exemple le passage d'un élément d'une plate-forme automobile) contraint d'adopter une géométrie de conduit 1 présentant, en amont d'une zone d'introduction de fluide dans le conduit 1, un rayon de courbure interne très faible par rapport à celui présenté par le dispositif de référence. [0036] De fait, l'écoulement des gaz d'échappement est fortement perturbé par rapport à celui du dispositif de référence. Pour récupérer l'écoulement des gaz d'échappement du dispositif de référence, le déflecteur 4 présente une géométrie sensiblement différente de celle présentée par les dispositif précédemment décrit, permettant de doser la repartition des gaz d'echappement entre la veine principale et la zone porte injecteur. [0037] La figure 5 présente schématiquement une vue en trois dimensions d'un mode de réalisation préférentiel pour un dispositif permettant la mise en ceuvre de l'invention. Le conduit 1 est représenté en transparence. [0038] L'invention ainsi développée permet, pour des applications ayant des géométries différentes, de standardiser les moyens d'introduction de fluide, par exemple un injecteur et son porte injecteur, mais également de standardiser la zone de mélange entre les gaz d'échappement et un fluide tel qu'un agent réducteur, située en aval de l'injecteur. Ceci est obtenu par la compensation des diversités géométriques dans une gamme d'applications, par exemple dans une gamme de véhicules automobiles d'un constructeur. [0039] De manière plus générale, l'invention permet l'optimisation de la zone d'introduction d'un fluide dans une ligne d'échappement, lorsque le parcours du conduit d'échappement ne le permet pas. [0040] Par la standardisation de moyens ou d'un module d'introduction d'un fluide dans une ligne d'échappement, on réduit les diversités et donc les durées de développement et d'essai d'une nouvelle ligne d'échappement d'un moteur. Dans une application à la catalyse SCR d'un véhicule par exemple automobile, lorsque les contraintes d'implantations ne permettent pas de créer le parcours de tube d'échappement adéquat pour un mélange optimal entre réducteur et gaz d'échappement (c'est-à-dire lorsqu'on ne peut adopter une solution de référence), l'emploi d'un déflecteur ou répartiteur permettra d'optimiser cette zone sans devoir modifier le véhicule. [0041] L'application de l'invention permet notamment de doser, indépendamment de la géométrie du tube d'échappement, la répartition et la vitesse du flux de gaz d'échappement dans la veine principale du conduit d'échappement d'une part (selon la direction principale des gaz d'échappement), et dans la zone du nez de l'injecteur d'autre part afin de prévenir l'encrassement de cette zone par le fluide introduit ou par un de ses produits de décompositions, et notamment par le phénomène de cristallisation d'une solution d'urée. REVENDICATIONS: 1. Procédé de standardisation de moyens d'introduction (2) d'un fluide dans un conduit (1) d'échappement d'un moteur à combustion, caractérisé par les étapes de : caractérisation d'un écoulement aéraulique de référence des gaz d'échappement, souhaité en aval des moyens d'introduction ; définition d'un dispositif de référence, comportant un conduit d'échappement de référence et des moyens d'introduction (2) de fluide de référence, conformés pour générer l'écoulement aéraulique souhaité ; définition d'un conduit (1) d'échappement adapté, répondant aux contraintes d'implantation d'une application donnée ; application des moyens d'introduction de fluide (2) de référence au conduit d'échappement adapté, définition et mise en place dans le conduit d'échappement adapté, en amont des moyens d'introduction (2), d'un déflecteur (4) conformé pour générer en aval desdits moyens l'écoulement aéraulique de référence. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur (4) est conformé par adaptation d'au moins un des paramètres suivants : forme, taille, position dans le conduit d'échappement. 3. Procédé de standardisation de moyens d'introduction (2) de réducteur ou de précurseur de réducteur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote présent dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion, caractérisé en ce qu'il met en jeu un procédé selon l'une des revendications 1 ou 2. 4. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 à un ensemble de véhicules automobiles présentant des conduits d'échappement de géométries différentes. 5. Ensemble de véhicules automobiles comportant au moins deux véhicules, dotés de conduits (1) d'échappement dans lesquels sont disposés des moyens d'introduction (2) de fluide identiques, les conduits (1) des véhicules présentant des géométriesdifférentes, caractérisé en ce que chaque véhicule présente dans son conduit d'échappement un déflecteur (4) géométriquement différent, positionné en amont des moyens d'introduction (2) de fluide et générant un écoulement aéraulique identique en aval desdits moyens d'introduction (2). 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'introduction de fluide comportent chacun un porte injecteur (22) et un injecteur (21), identiques dans tous les véhicules. 7. Ensemble selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que le déflecteur (4) diffère entre deux véhicules par au moins un des paramètres suivants : forme, taille, position dans le conduit d'échappement. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le conduit (1) d'échappement de chaque véhicule est doté d'un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'introduction (2) sont des moyens d'introduction d'une solution d'urée, ou d'ammoniac.