Brevet FR3040193A1 — publié le 20170224

SYSTEME DE REDUCTION CATALYTIQUE SELECTIVE [0001] La présente invention porte sur un système de réduction catalytique sélective ainsi que sur la ligne d'échappement correspondante. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les moteurs thermiques, notamment de véhicule automobile, et plus particulièrement équipés d'un turbocompresseur. [0002] Dans un contexte de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur notamment de type diesel, les systèmes de réduction catalytique sélective (ou SCR pour "Sélective Catalyst Réduction" en anglais) ont pour but de réduire les oxydes d'azote (NOX) contenus dans les gaz d'échappement. Le système SCR utilise une réaction chimique entre ces mêmes NOX et un agent réducteur. Classiquement, l'agent réducteur prend la forme d'ammoniac injecté dans la ligne d'échappement. L'injection de l'ammoniac est généralement réalisée par l'intermédiaire d'une autre espèce chimique, telle que l'urée qui se décompose en ammoniac et en dioxyde de carbone sous l'effet de la chaleur. [0003] Des systèmes SCR décrits par exemple dans le document W0201512829 comportent un boîtier muni de parois internes s'enroulant en forme de spirale pour augmenter la distance parcourue par les gaz d'échappement et faciliter le mélange avec l'agent réducteur. Une telle installation nécessite la présence d'un impacteur situé à proximité de l'injecteur pour assurer la formation de gouttelettes d'agent réducteur lors de son injection. Cependant, la présence de l'impacteur augmente l'encombrement de l'ensemble, ce qui ne permet pas une liberté d'installation satisfaisante notamment pour une installation du système SCR en sortie de turbocompresseur. [0004] Par ailleurs, des systèmes SCR basés sur des formes différentes sont également connus et divulgués dans le document W02013156856, tels que des coudes ou déflecteurs en amont de l'injecteur forçant les gaz d'échappement à tourbillonner lors de l'injection. Toutefois, ces tourbillons n'offrent pas une qualité optimale du mélange entre l'agent réducteur et les gaz d'échappement lors de l'injection. [0005] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une boîte de mélange pour système de réduction catalytique sélective pour ligne d'échappement d'un moteur thermique, notamment de véhicule automobile (ou autre mode de locomotion motorisé), telle que ladite boîte de mélange comporte: - un premier compartiment configuré pour guider et accélérer des gaz d'échappement, 3040193 2 - un deuxième compartiment comprenant une zone d'injection d'un agent réducteur et un couloir rectiligne dans lequel est apte à être réalisé un mélange entre ledit agent réducteur et lesdits gaz d'échappement issus dudit premier compartiment, et - un troisième compartiment configuré pour homogénéiser ledit mélange issu dudit 5 deuxième compartiment. [0006] L'invention permet ainsi, par la présence du couloir rectiligne, d'augmenter la distance de parcours du mélange entre l'agent réducteur et les gaz d'échappement favorisant la vaporisation de l'agent réducteur lorsque les gaz ne sont pas encore chauds ce qui permet de s'affranchir d'un impacteur volumineux. L'invention permet également de 10 prendre en compte les architectures de système de dépollution diesel qui visent à rapprocher un catalyseur du turbocompresseur. Ce dernier, étant par exemple un catalyseur d'oxydation diesel, est placé horizontalement pour un équilibrage de la turbine, le catalyseur de système SCR pourrait ainsi être placé en bout du turbocompresseur. L'invention permet en outre d'installer la boîte de mélange pour injection d'urée entre un 15 catalyseur horizontal et le reste du système de dépollution installé verticalement. On améliore ainsi l'intégration du système de dépollution dans la mesure où la boîte de mélange pourra être masquée dans un cône de liaison entre le catalyseur d'oxydation diesel et le catalyseur de système SCR, contrairement à d'autres systèmes évoqués ci-dessus. 20 [0007] Selon une réalisation, ledit premier compartiment présente une forme de spirale. [0008] Selon une réalisation, ledit troisième compartiment présente une forme de spirale, d'hélice, de coude, d'ailettes, ou de déflecteurs. [0009] Selon une réalisation, ledit troisième compartiment s'étend de façon transversale par rapport audit deuxième compartiment en sorte que l'ensemble présente une forme 25 coudée. Ainsi le système est globalement en forme de L, cette forme particulière offre une liberté d'installation compacte. [0010] Selon une réalisation, un injecteur est situé au niveau d'une extrémité dudit couloir rectiligne. [0011] Selon une réalisation, ledit premier compartiment intègre un concentreur. 30 [0012] Selon une réalisation, ladite zone d'injection d'un agent réducteur est positionnée dans le deuxième compartiment en aval du concentreur. 3040193 3 [0013] Selon une réalisation, ledit troisième compartiment intègre un diffuseur de manière à assurer un arrosage uniforme d'un catalyseur de système de réduction catalytique. [0014] L'invention a également pour objet une ligne d'échappement de moteur thermique 5 de véhicule caractérisée en ce qu'elle comporte : - une turbine d'échappement de turbocompresseur, - un premier dispositif de traitement des gaz d'échappement directement relié à la turbine d'échappement de turbocompresseur, - une boîte de mélange telle que définie précédemment. 10 [0015] Selon une réalisation, ledit premier dispositif de traitement des gaz d'échappement est un catalyseur d'oxydation, notamment pour les moteurs de type diesel. [0016] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. 15 [0017] Les figures 1 a et 1 b sont des représentations schématiques d'une boîte de mélange selon l'invention installée dans une ligne d'échappement; [0018] La figure 2 est une vue en perspective illustrant un sens de circulation des gaz d'échappement à l'intérieur d'une boîte de mélange selon la présente invention ; [0019] Les figures 3a et 3b sont des vues respectivement en perspective et en coupe du 20 premier compartiment de la boîte de mélange selon la présente invention; [0020] Les figures 4a et 4b sont des vues respectivement en perspective et en coupe du deuxième compartiment de la boîte de mélange selon la présente invention; [0021] Les figures 5a et 5b sont des vues respectivement en perspective et en coupe du troisième compartiment de la boîte de mélange selon la présente invention; 25 [0022] La figure 6 est une représentation schématique illustrant le sens de circulation du flux des gaz d'échappement à l'intérieur des compartiments de la boîte de mélange selon la présente invention. [0023] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. 3040193 4 [0024] Dans la description qui suit, les termes relatifs « amont » et « aval » sont entendus par rapport au sens de circulation normal des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement du moteur thermique indiqué par les flèches sur les figures. En outre, on considère qu'une mise en communication entre deux éléments est « directe » 5 lorsque qu'aucun autre dispositif n'est interposé entre ces deux éléments. [0025] Les figures 1 a et 1 b représentent schématiquement une ligne d'échappement 100 d'un moteur thermique 1 équipé d'un turbocompresseur 2. Un premier dispositif 3 de traitement des gaz d'échappement est destiné à être connecté directement en sortie de la turbine d'échappement du turbocompresseur 2. 10 [0026] Le premier dispositif 3 de traitement des gaz d'échappement comporte par exemple un catalyseur d'oxydation diesel permettant l'oxydation d'hydrocarbure et de monoxyde d'azote en dioxyde d'azote et en eau. Dans une variante de réalisation, le premier dispositif 3 est un absorbeur passif d'oxyde d'azote (ou « passive NOX absorber » en anglais) ou un piège à oxyde d'azote (ou « lean NOX trap » en anglais). Une sortie du 15 dispositif 3 est en communication directe avec un système de réduction catalytique sélective, dit système SCR pour "Sélective Catalyst Réduction" en anglais. [0027] Comme cela ressort de la figure 2, le système SCR comporte notamment une boîte de mélange 10 ayant trois compartiments 110, 210, 310. Le premier compartiment 110 montré en détails en figure 3a et 3b communique directement avec le premier 20 dispositif 3 de traitement des gaz d'échappement. Le compartiment 110 présente avantageusement une forme de spirale apte à guider les gaz 111 issus du premier dispositif 3 vers le deuxième compartiment 210. Cette forme de spirale permet d'accélérer les gaz 111 avant l'injection de l'agent réducteur. [0028] En outre, le premier compartiment 110 intègre un concentreur. Ce concentreur 25 peut par exemple se présenter sous la forme d'une grille ou d'un cône convergent réduisant le diamètre de passage des gaz, ce qui permet de concentrer et accélérer le flux des gaz d'échappement en entrée de la boîte de mélange 10. [0029] Par ailleurs, le deuxième compartiment 210, visible en figure 4a et 4b, comporte un couloir rectiligne et une zone d'injection d'agent réducteur 51. A cet effet, un injecteur 5 30 d'agent réducteur est positionné au niveau d'une extrémité du couloir, de préférence à une extrémité amont, de telle façon que l'agent réducteur, prenant par exemple la forme d'une solution d'urée solubilisé dans de l'eau, est injecté dans l'axe du flux des gaz 3040193 5 d'échappement 111 issus du premier compartiment 110. Cette injection dans le couloir permet d'assurer un mélange 211 homogène entre l'agent réducteur et les gaz d'échappement 111 en accélération dont le flux est sensiblement rectiligne dans le couloir. En outre, le couloir rectiligne augmente la longueur de parcours du mélange 211, ce qui 5 favorise la vaporisation de l'agent réducteur lorsque les gaz 111 ne sont pas encore chauds. Une telle configuration autorise ainsi une implantation de l'injecteur 5 suivant une direction qui n'est pas nécessairement perpendiculaire au flux des gaz d'échappement 111. On dispose ainsi d'une liberté d'installation de la boîte de mélange 10 en sortie du turbocompresseur 2. 10 [0030] Le troisième compartiment 310, montré en détails sur les figures 5a et 5b, est configuré pour homogénéiser le mélange 211 issu du deuxième compartiment 210. Plus précisément, la forme du compartiment 310 permet de finaliser le brassage, d'accélérer le mélange 211, et de préparer l'entrée du mélange 211 dans un deuxième dispositif 4 de traitement des gaz d'échappement. Le dispositif 4 est constitué de préférence par un 15 catalyseur de système SCR communiquant directement avec la sortie du troisième compartiment 310. Le troisième compartiment 310 peut prendre de préférence une forme de spirale, mais peut également prendre une forme d'hélice, de coude, d'ailettes ou de déflecteurs, pour uniformiser l'arrosage du dispositif 4 et donc maximiser son potentiel de traitement. 20 [0031] Le troisième compartiment 310 intègre en outre un diffuseur permettant un arrosage uniforme du catalyseur de système de réduction catalytique 4 situé en aval du troisième compartiment 310. Le diffuseur, par exemple en forme de cône, augmente le diamètre de passage des gaz 211 ce qui permet d'uniformiser l'arrosage du catalyseur SCR 4. 25 [0032] Dans l'exemple de réalisation représenté en figure 2, le troisième compartiment 310 s'étend dans un plan P3 transversal par rapport au plan P2 dans lequel s'étend le deuxième compartiment 210. Autrement dit, l'ensemble présente une forme coudée, ou globalement en forme de L. L'angle a entre les deux plans P2, P3 est compris de préférence entre 80 et 100 degrés, et vaut environ 90 degrés. Cette forme compacte de 30 l'ensemble offre ainsi une liberté d'installation en sortie du turbocompresseur 2. [0033] La boîte de mélange 10 permet ainsi à la fois de favoriser le mélange 211 entre l'agent réducteur et les gaz d'échappement, de favoriser la vaporisation de l'agent réducteur avant d'atteindre le catalyseur SCR 4 et de maximiser le potentiel de dépollution 3040193 6 du catalyseur SCR 4. De plus, la boîte de mélange 10 permet un guidage des gaz d'échappement 111, 211 tout au long de leur trajet. En effet, les gaz d'échappement 111, 211 se déplacent dans tous les compartiments 110, 210, 310 parallèlement aux parois de guidage, contrairement aux dispositifs formant des tourbillons (ou « swirl » en anglais) 5 couramment utilisés et dans lesquels les gaz tournent autour d'un axe du sens d'avancement des gaz. REVENDICATIONS: 1. Boîte de mélange (10) pour système de réduction catalytique sélective destinée à être installée dans une ligne d'échappement (100) d'un moteur thermique, notamment de véhicule automobile, caractérisée en ce que ladite boîte de mélange comporte : - un premier compartiment (110) configuré pour guider et accélérer des gaz d'échappement (111), - un deuxième compartiment (210) comprenant une zone d'injection (51) d'un agent réducteur et un couloir rectiligne dans lequel est apte à être réalisé un mélange (211) entre ledit agent réducteur et lesdits gaz d'échappement (111) issus dudit premier compartiment (110), et - un troisième compartiment (310) configuré pour homogénéiser ledit mélange (211) issu dudit deuxième compartiment (210). 2. Boîte de mélange selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit premier compartiment (110) présente une forme de spirale. 3. Boîte de mélange selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit troisième compartiment (310) présente une forme de spirale, d'hélice, de coude, d'ailettes, ou de déflecteurs. 4. Boîte de mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit troisième compartiment (310) s'étend de façon transversale par rapport audit deuxième compartiment (210) en sorte que l'ensemble présente une forme coudée. 5. Boîte de mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'un injecteur (5) est situé au niveau d'une extrémité dudit couloir rectiligne. 6. Boîte de mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit premier compartiment (110) intègre un concentreur. 7. Boîte de mélange selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite zone d'injection (51) d'un agent réducteur est positionnée dans le deuxième compartiment (210) en aval du concentreur. 3040193 8 8. Boîte de mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit troisième compartiment (310) intègre un diffuseur de manière à assurer un arrosage uniforme d'un catalyseur de système de réduction catalytique (4). 9. Ligne d'échappement (100) de moteur thermique (1) de véhicule caractérisée en ce 5 qu'elle comporte - une turbine d'échappement de turbocompresseur (2), - un premier dispositif (3) de traitement des gaz d'échappement directement relié à la turbine d'échappement de turbocompresseur (2), - une boîte de mélange (10) telle que définie selon l'une quelconque des 10 revendications précédentes, 10. Ligne d'échappement selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit premier dispositif (3) de traitement des gaz d'échappement est un catalyseur d'oxydation.