Brevet FR3051507A1 — publié le 20171124

DISPOSITIF MELANGEUR POUR VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN IMPACTEUR MOBILE [1] L'invention concerne, de façon générale, le post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique, en particulier dans un véhicule automobile. [2] L'invention porte plus particulièrement sur un dispositif mélangeur d'un véhicule automobile. [3] Aujourd'hui, un véhicule automobile à moteur thermique émet différents gaz, dits d'échappement, suite à la combustion de carburant et d'air dans le moteur thermique. L'émission de ces gaz d'échappement est réglementée par des normes visant à limiter la teneur en certains gaz, tels que l'oxyde d'azote, dans les gaz d'échappement, par post-traitement des gaz d'échappement. [4] Il a notamment été proposé différentes méthodes de gestion de la combustion ainsi que des véhicules, dits hybrides, comprenant un moteur électrique en complément du moteur thermique afin de limiter le rejet de certains gaz. [5] Il est également connu de traiter les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement des gaz, autrement dit après leur émission. Un tel traitement consiste en une réduction chimique de ces gaz d'échappement par ajout d'un agent réducteur, tel qu'une solution d'urée comprenant de l'ammoniac, en amont d'un catalyseur spécifique. La réaction chimique entre l'oxyde d'azote et l'ammoniac permet de former du diazote et de l'eau. Ce traitement est désigné SCR, pour Selective Catalytic Reduction en langue anglais. [6] Pour ce faire, on connait par le document FR3004755 un dispositif mélangeur intégré dans la ligne d'échappement d'un véhicule automobile, en amont du catalyseur spécifique. Le dispositif mélangeur comprenant une chambre de mélange par laquelle les gaz d'échappement s'écoulent. La chambre de mélange comprend en outre un orifice d'injection d'une solution d'urée et des impacteurs répartis à l'intérieur de la chambre de mélange et sur lesquels la solution d'urée est projetée. La solution d'urée est ainsi dispersée au sein de la chambre en gouttelettes afin d'être mélangée avec les gaz d'échappement et permettre une réaction optimale des gaz d'échappement avec l'agent réducteur au niveau du catalyseur spécifique. 3051507 2 [7] Cependant une telle solution présente des inconvénients. En effet, ces impacteurs sont positionnés face à l'orifice d'injection afin d'entrer en contact avec le jet de solution d'urée injectée par l'orifice. Or, lorsque le débit de gaz d'échappement s'écoulant dans la ligne d'échappement augmente, le jet de solution d'urée est dévié par ces gaz 5 d'échappement et peut ne plus entrer en contact avec les impacteurs, réduisant sa dispersion en gouttelettes. Le mélange de la solution d'urée avec les gaz d'échappement dans le dispositif mélangeur est alors moins efficace, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité du post-traitement des gaz d'échappement par le dispositif mélangeur. [8] De plus, lorsque le débit des gaz d'échappement s'écoulant dans la ligne 10 d'échappement est élevé, le jet de solution d'urée peut être dévié par les impacteurs vers la paroi interne du dispositif mélangeur, ce qui peut entraîner l'agglomération de solution d'urée sur ladite paroi interne, encrasser le dispositif mélangeur et ainsi en réduire l'efficacité. [9] L'invention vise donc à résoudre ces inconvénients en proposant un dispositif 15 mélangeur permettant d'optimiser le post-traitement des gaz d'échappement quel que soit le débit des gaz d'échappement. [0010] Pour parvenir à ce résultat, la présente invention concerne un dispositif mélangeur destiné à être monté dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique, en amont d'un catalyseur de réduction sélective, ledit dispositif mélangeur comprenant une 20 chambre de mélange des gaz d'échappement et un orifice, communiquant avec ladite chambre de mélange, par lequel est injectée un précurseur d'agent réducteur et/ou un agent réducteur sous forme de jet, ledit dispositif mélangeur comprenant au moins un impacteur mobile dans ladite chambre de mélange. [0011] Grâce au dispositif mélangeur selon l'invention, le mélange du précurseur d'agent 25 réducteur et/ou de l'agent réducteur dans les gaz d'échappement est optimal quel que soit le débit des gaz d'échappement au moyen du pilotage de l'impacteur mobile, ce qui permet d'optimiser le post-traitement des gaz d'échappement. Le pilotage de l'impacteur mobile permet de positionner l'impacteur de sorte à optimiser la dispersion du précurseur d'agent réducteur et/ou de l'agent réducteur dans la chambre de mélange, notamment en 30 plaçant l'impacteur mobile sensiblement perpendiculaire au jet de précurseur d'agent réducteur et/ou d'agent réducteur. 3051507 3 [0012] Avantageusement, la chambre de mélange est pourvue d'une entrée et d'une sortie pour permettre un écoulement des gaz d'échappement. [0013] Avantageusement, l'impacteur est mobile en rotation, en pivotement et/ou en translation. 5 [0014] Avantageusement, l'impacteur mobile est piloté à partir du débit des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, du débit du jet de précurseur d'agent réducteur et/ou d'agent réducteur et/ou de la température au sein de la chambre de mélange. [0015] Avantageusement, l'impacteur mobile s'étend sensiblement perpendiculairement 10 au jet de précurseur d'agent réducteur et/ou d'agent réducteur. [0016] Avantageusement, le dispositif mélangeur comprend un actionneur pilotant l'impacteur mobile. [0017] L'invention vise également un système de post-traitement des gaz d'échappement émis par un moteur thermique, ledit système comprenant un dispositif 15 mélangeur tel que décrit précédemment. [0018] L'invention vise en outre une ligne d'échappement des gaz émis par un moteur thermique, ladite ligne d'échappement comprenant un système tel que décrit précédemment, de post traitement desdits gaz émis. [0019] L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un moteur 20 thermique et une ligne d'échappement comprenant un catalyseur de réduction sélective d'au moins un gaz émis par le moteur thermique et un dispositif mélangeur tel que décrit précédemment, situé en amont dudit catalyseur de réduction sélective. [0020] Avantageusement, le véhicule comprend un filtre à particule dans lequel est intégré le catalyseur de réduction sélective. 25 [0021] L'invention vise en outre un procédé de réduction d'au moins un gaz émis par le moteur thermique d'un véhicule automobile, le véhicule comprenant une ligne d'échappement du moteur thermique comprenant un catalyseur de réduction sélective et un dispositif mélangeur, le dispositif mélangeur comprenant une chambre de mélange des gaz d'échappement, un orifice, communiquant avec ladite chambre de mélange, par lequel 30 est injecté un précurseur d'agent réducteur et/ou un agent réducteur sous forme de jet, et 3051507 4 au moins un impacteur mobile monté dans ladite chambre de mélange, le procédé comprenant: - une étape de déplacement dudit impacteur mobile jusqu'à une position prédéterminée. 5 [0022] Avantageusement, le procédé comprend une étape préliminaire de détermination de la position de l'impacteur mobile selon le débit des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, le débit du jet de précurseur d'agent réducteur et/ou d'agent réducteur et/ou la température au sein de la chambre de mélange. [0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de 10 la description détaillée des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement, et en référence aux dessins qui montrent : - la figure 1, la ligne d'échappement du moteur thermique d'une forme de réalisation d'un véhicule automobile selon l'invention, et - la figure 2, une vue en coupe de la ligne d'échappement de la figure 2. 15 [0024] Dans ce qui va suivre, les modes de réalisation décrits s'attachent plus particulièrement à une mise en oeuvre du dispositif mélangeur selon l'invention au sein d'un véhicule automobile. Cependant, toute mise en oeuvre dans un contexte différent, en particulier dans tout type de véhicule, est également visée par la présente invention. [0025] Comme illustré sur la figure 1, un véhicule automobile comprend un moteur 20 thermique 1 et une ligne d'échappement 2 des gaz émis par ledit moteur thermique 1. [0026] Le moteur thermique 1 comprend une chambre de combustion 10 dans laquelle du carburant et du comburant sont mélangés. Le carburant peut, par exemple, être du diesel, et être injecté dans la chambre de combustion 10 par un injecteur (non représenté). Le comburant peut, par exemple, être de l'air. 25 [0027] La combustion du mélange dans la chambre de combustion 10 entraîne le piston 11 en translation, ce qui permet de transformer l'énergie thermique de la combustion en énergie mécanique afin d'entraîner l'arbre du moteur 1 en rotation. [0028] Lors de la combustion du mélange, des gaz d'échappement sont formés. De tels gaz d'échappement comprennent notamment des gaz, tels que, par exemple, de l'oxyde 30 d'azote, dont la teneur dans les gaz d'échappement est réglementée par des normes. On 3051507 5 notera que l'oxyde d'azote peut être noté NON, notamment NO dans le cas du monoxyde d'azote. [0029] Les gaz d'échappement sont alors évacués par la ligne d'échappement 2 permettant également de post-traiter au moins partiellement ces gaz d'échappement. 5 [0030] Pour ce faire, la ligne d'échappement 2 comprend, dans cet exemple, un catalyseur d'oxydation 21, un dispositif mélangeur 22, également désigné mixeur, et un catalyseur de réduction sélective 23. [0031] Le catalyseur d'oxydation 21, également désigné DOC, pour Diesel Oxydation Catalyst en langue anglaise, permet d'oxyder le monoxyde de carbone compris dans les 10 gaz d'échappement afin de former du dioxyde de carbone, moins polluant. [0032] Le catalyseur de réduction sélective 23, également désigné catalyseur SCR, pour Selective Catalytic Reduction en langue anglais, permet de réduire l'oxyde d'azote NON. [0033] Afin de permettre la réduction de l'oxyde d'azote NON dans le catalyseur de réduction sélective 23, le dispositif mélangeur 22 est placé en amont de ce dernier afin de 15 mélanger les gaz d'échappement à un précurseur d'agent réducteur et/ou un agent réducteur. [0034] Comme illustré à la figure 2, le dispositif mélangeur 22 comprend une chambre de mélange 220, pourvue d'une entrée et d'une sortie pour permettre l'écoulement des gaz d'échappement à travers le dispositif mélangeur 22. Le dispositif mélangeur 22 comprend 20 en outre un orifice 221, communiquant avec ladite chambre de mélange 220, par lequel est injecté le précurseur d'agent réducteur et/ou l'agent réducteur. [0035] L'agent réducteur peut être de l'ammoniac NH3 qui est un agent réducteur des oxydes d'azotes NON. Le précurseur de l'agent réducteur peut être de l'urée. On désigne par les termes « solution d'urée » une solution comprenant un agent réducteur et/ou un 25 précurseur dudit agent réducteur. [0036] Le dispositif mélangeur 22 est alimenté en solution d'urée par un réservoir compris dans le véhicule automobile, notamment à l'arrière du véhicule. Un tel réservoir assure l'autonomie du système de post-traitement du véhicule automobile. [0037] Dans cet exemple, la solution stockée dans le réservoir est une solution aqueuse 30 comprenant de l'ordre de 32,5% d'urée. Lors de l'injection de cette solution aqueuse dans 3051507 6 le dispositif mélangeur 22 de la ligne d'échappement 2, cette solution aqueuse se décompose, sous l'effet de la chaleur dégagée par les gaz d'échappement, en ammoniac et en dioxyde de carbone. Cette décomposition peut s'écrire: CO(NH2)2 + H2O -> 2 NH3 + CO2 5 [0038] La solution d'urée est injectée dans la chambre de mélange 220 du dispositif mélangeur 22 sous forme de jet, de préférence orienté perpendiculairement à l'écoulement des gaz d'échappement. [0039] Comme illustré à la figure 2, le dispositif mélangeur 22 comprend au moins un impacteur mobile 222 situé dans la chambre de mélange 220. Le jet de solution d'urée est 10 dirigé vers l'impacteur mobile 222 afin d'être dispersé en gouttelettes. [0040] Il est précisé que l'impacteur mobile 222 peut être déplacé en rotation, comme représenté à la figure 2, ou en pivotement ou en translation. [0041] Avantageusement l'impacteur mobile 222 est piloté de manière à toujours s'étendre sensiblement perpendiculairement au jet de solution d'urée afin d'optimiser la 15 dispersion en gouttelettes et ainsi optimiser l'homogénéité du mélange de la solution d'urée dans les gaz d'échappement. Ceci permet également de minimiser la formation d'agglomérat sur la paroi interne de la chambre de mélange 220 en évitant la déviation de solution d'urée vers ladite paroi interne. [0042] Grâce au pilotage de l'impacteur mobile 222, la totalité du jet de solution d'urée 20 atteint l'impacteur mobile 222 afin d'optimiser le mélange. [0043] L'impacteur mobile 222 est piloté en fonction de critères tels que la pression d'injection de la solution d'urée dans la chambre de mélange 220, le débit des gaz d'échappement s'écoulant dans la chambre de mélange 220, la température au sein de la chambre de mélange 220, etc. L'impacteur mobile 222 est piloté de sorte que le jet de 25 solution d'urée soit toujours perpendiculaire à l'impacteur mobile 222. [0044] Dans cet exemple, l'impacteur mobile 222 est piloté par un actionneur, notamment du type utilisé pour piloter la soupape, également désignée sous le terme de « wastegate » en langue anglaise, de limitation de la pression des gaz d'échappement dans un turbocompresseur du moteur thermique 1. 30 [0045] Dans cet exemple, l'impacteur mobile 222 se présente sous la forme d'une lame métallique. 3051507 7 [0046] Grâce à l'utilisation d'un impacteur mobile 222, le dispositif de mélange 22 peut comprendre un unique impacteur 222 afin de minimiser les coûts de fabrication d'un tel dispositif de mélange 22. De préférence, l'impacteur mobile 222 est plus long que les impacteurs fixes selon l'art antérieur. 5 [0047] Les gouttelettes de la solution d'urée sont ainsi dispersées au sein de la chambre de mélange 220 afin d'être mélangées avec les gaz d'échappement. [0048] La solution d'urée mélangée avec les gaz d'échappement réagit dans le catalyseur de réduction sélective 23 de manière à réduire l'oxyde d'azote et former du diazote et de l'eau. Une telle réaction peut s'écrire: 10 4 NO + 4 NH3 + 02 4 N2 + 6 H20 [0049] Grâce à la réduction de l'oxyde d'azote, la ligne d'échappement 2 permet de post-traiter les gaz d'échappement afin de limiter la teneur de certains gaz dans les gaz d'échappement et ainsi respecter les normes en vigueur. [0050] Le dispositif mélangeur 22 permet ainsi d'homogénéiser le mélange de solution 15 d'urée avec les gaz d'échappement et ainsi d'optimiser la réduction de l'oxyde d'azote et donc le post-traitement des gaz d'échappement. [0051] Grâce à l'impacteur mobile 222, un tel post traitement est optimal, même lorsque le débit des gaz d'échappement est élevé, notamment lorsque le débit est supérieur à 250 kg/h (pour un débit de solution d'urée de l'ordre de 100 mg/s et une température de 20 300 °C). [0052] Selon un aspect de l'invention, le catalyseur de réduction sélective 23 est imprégné dans le filtre à particules FAP afin que tous les éléments de post-traitement de la ligne d'échappement 2 soient rapprochés. REVENDICATIONS1. Dispositif mélangeur (22) destiné à être monté dans une ligne d'échappement (2) d'un moteur thermique (1), en amont d'un catalyseur de réduction sélective (23), ledit dispositif mélangeur (22) comprenant une chambre de mélange (220) des gaz d'échappement et un orifice (221), communiquant avec ladite chambre de mélange (220), par lequel est injectée un précurseur d'agent réducteur et/ou un agent réducteur sous forme de jet, ledit dispositif mélangeur (22) étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un impacteur mobile (222) dans ladite chambre de mélange (220). 2. Dispositif mélangeur (22) selon la revendication 1, dans lequel l'impacteur mobile (222) est piloté à partir du débit des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement (2), du débit du jet de précurseur d'agent réducteur et/ou d'agent réducteur et/ou de la température au sein de la chambre de mélange (220). 3. Dispositif mélangeur (22) selon l'une des revendications précédente, dans lequel l'impacteur mobile (222) s'étend sensiblement perpendiculairement au jet de précurseur d'agent réducteur et/ou d'agent réducteur. 4. Dispositif mélangeur (22) selon l'une des revendications précédente, comprenant un actionneur pilotant l'impacteur mobile (222). 5. Système de post-traitement des gaz d'échappement émis par un moteur thermique (1), ledit système comprenant un dispositif mélangeur (22) selon l'une des revendications précédentes. 6. Ligne (2) d'échappement des gaz émis par un moteur thermique (1), ladite ligne d'échappement (2) comprenant un système selon la revendication précédente, de post traitement desdits gaz émis. 7. Véhicule automobile comprenant un moteur thermique (1) et une ligne d'échappement (2) comprenant un catalyseur de réduction sélective (23) d'au moins un gaz émis par le moteur thermique (1) et un dispositif mélangeur (22) selon l'une des revendications précédentes situé en amont dudit catalyseur de réduction sélective (23). 8. Véhicule automobile selon la revendication précédente, comprenant un filtre à particule dans lequel est intégré le catalyseur de réduction sélective (23). 3051507 à 9 9. Procédé de réduction d'au moins un gaz émis par le moteur thermique (1) d'un véhicule automobile, le véhicule comprenant une ligne d'échappement (2) du moteur thermique (1) comprenant un catalyseur de réduction sélective (23) et un dispositif mélangeur (22) situé en amont dudit catalyseur de réduction sélective (23), le dispositif 5 mélangeur (22) comprenant une chambre de mélange (220) des gaz d'échappement, un orifice (221), communiquant avec ladite chambre de mélange (220), par lequel est injectée un précurseur d'agent réducteur et/ou urr agent réducteur sous forme de jet, et au moins un impacteur mobile (222) monté dans ladite chambre de mélange (220), le procédé comprenant : 10 - une étape de déplacement dudit impacteur mobile (222) jusqu'à une position prédéterminée. 10. Procédé selon la revendication précédente comprenant une étape préliminaire de détermination de ladite position prédéterminée de l'impacteur mobile (222) en fonction du débit des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement (220), du débit du jet de 15 précurseur d'agent réducteur et/ou d'agent réducteur et/ou de la température au sein de la chambre de mélange (220).