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FR3037615B1 - Systeme de depollution des gaz d'echappement optimise - Google Patents

Systeme de depollution des gaz d'echappement optimise Download PDF

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FR3037615B1 FR1555529A FR1555529A FR3037615B1 FR 3037615 B1 FR3037615 B1 FR 3037615B1 FR 1555529 A FR1555529 A FR 1555529A FR 1555529 A FR1555529 A FR 1555529A FR 3037615 B1 FR3037615 B1 FR 3037615B1
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Abstract

Système de dépollution (10) de moteur thermique de véhicule automobile comprenant : - un premier dispositif de dépollution (11) disposé selon un axe X parallèle au plan du véhicule, - un second dispositif de dépollution (12) disposé en aval du premier dispositif (11) selon le sens d'écoulement des gaz et parallèlement au premier, - un injecteur (16) de liquide de réaction agencé orthogonalement à l'axe X desdits dispositifs de dépollution (11, 12), caractérisé en ce que l'injecteur est apte à diffuser du liquide sur une surface d'extrémité aval (21s) du premier dispositif de dépollution.

Description

SYSTEME DE DEPOLLUTION DES GAZ D’ECHAPPEMENT OPTIMISE
Domaine technique de l’invention L’invention concerne une ligne d’échappement d’un moteur thermique de véhicule automobile. L’invention concerne plus précisément un système de dépollution disposé dans la ligne d’échappement du moteur.
Etat de la technique
Les émissions polluantes des moteurs à combustion équipant les véhicules automobiles sont réglementées par des normes de plus en plus sévères. Les polluants réglementés sont, selon la technologie de moteur à combustion considérée, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azotes (NOx), et les particules. Il est connu d'employer un certain nombre de moyens de dépollution dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion pour en limiter les émissions de polluants réglementés. Par exemple, un catalyseur d'oxydation permet le traitement du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, et dans certaines conditions des oxydes d'azotes ; un filtre à particules peut être employé pour le traitement des particules de suie. On connaît également des moyens spécifiques au traitement des oxydes d'azote ou NOx, tels que les pièges à NOx ou les catalyseurs dits SCR pour « sélective catalytic réduction ». Cette dernière technologie consiste à réduire les NOx par introduction d'un agent réducteur (ou d'un précurseur d'un tel agent réducteur) dans les gaz d'échappement. On parlera dans la suite du présent document d'une manière générale de « réducteur » pour désigner un agent réducteur ou un précurseur d'agent réducteur. L'agent réducteur généré permet de réduire les oxydes d'azotes par réaction dans un catalyseur SCR, c'est-à-dire un substrat portant une imprégnation catalytique apte à favoriser la réduction des NO x par l'agent réducteur.
On désigne de manière générale ces dispositifs par le terme de moyens de « post-traitement » des gaz d'échappement.
Dans un véhicule automobile présentant l'architecture la plus commune, c'est à dire avec un moteur dans un volume sous capot à l'avant du véhicule, les différents dispositifs de post-traitement sont généralement implantés sous le plancher du véhicule, dans un « tunnel » formé par ce plancher (on parle de manière équivalente d'une disposition « sous caisse »), ou répartis pour partie dans le compartiment moteur (volume sous capot) qui accueille le catalyseur d'oxydation et pour partie sous caisse, où sont disposés les autres dispositifs (catalyseur SCR, filtre à particules, etc.).
On connaît néanmoins de la demande de brevet français déposée sous le numéro FR 1050453 l'intérêt de positionner un maximum des dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement dans l'espace sous capot moteur. En effet, outre un gain de place dans l'espace sous-caisse du véhicule, un tel positionnement des catalyseurs (d'oxydation et/ou SCR) et/ou du filtre à particules permet de les rapprocher au maximum de la sortie du moteur, et donc de profiter de conditions thermiques favorables notamment à leur montée en température et à leur activation (passage au-dessus d'une température nécessaire à une bonne efficacité de traitement).
Ainsi, un tel positionnement engendre un cycle vertueux dans la conception de l'ensemble de traitement des gaz d'échappement : les éléments du dispositif de post-traitement, en étant disposés à proximité de la sortie des chambres de combustion du moteur (sous capot et non sous caisse), jouissent de conditions thermiques favorables à un fonctionnement optimal, ce qui permet d'en réduire la taille pour obtenir une même efficacité de traitement, comparé à un dispositif implanté sous caisse. On gagne ainsi encore plus en compacité, et en outre, réduisant la taille des éléments de dépollution, on en diminue l'inertie thermique ce qui accélère encore plus leur montée en température.
En vue d'optimiser la fonctionnalité et l'implantation dans l'espace sous capot moteur d'un ensemble compact de traitement des gaz d'échappement, il est connu d’agencer comme proposé dans la publication FR1151374 un ensemble de traitement des gaz d'échappement compacts regroupant selon une architecture en « U » un catalyseur d'oxydation, et un catalyseur SCR (pouvant être un filtre à particules portant d'une imprégnation catalytique pour la réduction des oxydes d'azote).
Dans le cadre de cette architecture, il est prévu que le catalyseur d'oxydation soit placé dans la première branche du « U », tandis que le catalyseur SCR est positionné dans la seconde branche du « U ».
Bref résumé de l’invention
La présente invention propose également une architecture en U comportant dans la première branche un catalyseur d’oxydation et dans la seconde branche un second dispositif comprenant un filtre à particules associé avec un catalyseur SCR. Il est connu de disposer un injecteur d’urée en amont de la seconde branche afin d’arroser de façon optimale la section transversale du second dispositif. Pour ce faire, un mixeur est disposé dans une branche intermédiaire reliant la première et la seconde branche du circuit d’échappement. Les première et seconde branches sont généralement aménagées de façon horizontale c’est-à-dire parallèlement au plan du véhicule passant par les axes des essieux dudit véhicule, la branche intermédiaire est donc disposée de façon verticale perpendiculairement au plan du véhicule. L’injecteur d’urée est disposé sensiblement selon l’axe de la branche intermédiaire et envoie le jet d’urée par pulvérisations avec un angle de diffusion dans la branche intermédiaire. Le mixeur permet un mélange des gaz et de l’urée afin d’optimiser les réactions chimiques dans le second dispositif de traitement.
La publication EP2535535 divulgue un tel mixeur pour permettre le mélange le plus homogène possible des gaz issus du premier dispositif de traitement avec le fluide de réaction. Le mixeur comprend ainsi un corps annulaire prolongés par des ailettes radiales se rejoignant au centre dudit corps. Ledit mixeur génère de ce fait une perte de charge de l’ordre 10% de la perte de charge totale sur la ligne d’échappement. Ce qui peut entraîner des modifications des dispositifs de dépollution avec notamment une augmentation des métaux précieux et changement densité cellules des monolithes pour pallier ladite perte de charge.
Un autre inconvénient concerne la fabrication et la mise en place du mixeur dans la branche intermédiaire ce qui augmente sensiblement le coût du moteur.
Le but de l’invention est de remédier à ces problèmes et un des objets de l’invention est un système de dépollution d’un moteur thermique comprenant deux étages de dépollution aménagés suivant deux axes parallèles selon une architecture sensiblement en U, les deux étages étant reliés par une branche intermédiaire orthogonale auxdits deux axes et un système de diffusion de liquide de réaction apte à injecter du liquide dans ladite branche intermédiaire. L’invention concerne plus particulièrement un système de dépollution de moteur thermique de véhicule automobile comprenant : - un premier dispositif de dépollution disposé selon un axe parallèle au plan du véhicule, - un second dispositif de dépollution disposé en aval du premier dispositif et parallèlement au premier dispositif selon une architecture en U, - un injecteur de liquide de réaction agencé orthogonalement à l’axe desdits dispositifs de dépollution, caractérisé en ce que l’injecteur est apte à diffuser du liquide sur la section d’extrémité aval du premier dispositif de dépollution.
De manière avantageuse, l’injecteur est apte à diffuser du liquide de réaction sur la section de l’extrémité aval du premier dispositif afin de permettre un mélange des gaz brûlés en sortie du premier dispositif avec le liquide de réaction. En effet, le jet est dirigé sur la section d’extrémité du premier dispositif pour accroître l’évaporation du liquide et le mélange des gaz et du liquide. Le liquide est injecté selon un axe sensiblement orthogonal à l’axe du premier dispositif de dépollution et donc de l’axe d’écoulement des gaz qui traversent ledit premier dispositif.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention : - le premier dispositif de dépollution comprend un premier monolithe cylindrique présentant une section d’extrémité aval en biseau.
De manière avantageuse, le premier dispositif de dépollution comprend un premier monolithe cylindrique présentant une section d’extrémité aval en biseau afin d’améliorer les phases d’évaporation et de mélange du liquide de réaction diffusé avec les gaz brûlés. Ladite section d’extrémité aval en biseau sert d’évaporateur et de surface de mélange entre le liquide de réaction et les gaz. - l’injecteur est disposé à l’extrémité aval du premier monolithe.
De manière avantageuse, l’injecteur est disposé à l’extrémité aval du premier monolithe au plus près de la sortie des gaz du premier dispositif de dépollution. L’évaporation du liquide et son mélange avec les gaz est fait plus facilement. - la section d’extrémité aval en biseau est présentée en vis-à-vis de l’injecteur.
De manière avantageuse, la section d’extrémité aval en biseau et présentée en vis-à-vis de l’injecteur pour accroître la surface d’échange avec le liquide de réaction. L’injecteur sera également orienté ou l’angle de son jet sera réglé pour permettre un mouillage optimal de ladite section d’extrémité en biseau. Le mouillage optimal concerne la plus partie possible de la section en biseau. - l’angle de biseau de la section d’extrémité aval du premier monolithe est supérieur à 110° par rapport à l’axe du monolithe.
De manière avantageuse, l’angle de biseau est supérieur à 110° par rapport à l’axe du monolithe pour permettre un arrosage maximal de la section d’extrémité aval. En effet, un angle inférieur ne permet pas un arrosage suffisant de la section d’extrémité par le jet de liquide depuis l’injecteur. - le monolithe du premier dispositif est de type métallique.
De manière avantageuse, le premier monolithe est type métallique plus adapté qu’un monolithe de type céramique pour obtenir simplement la section d’extrémité aval en biseau. - le premier dispositif de dépollution comprend un catalyseur d’oxydation.
De manière avantageuse, l’injecteur de liquide de réaction est disposé de manière optimale à la sortie d’un catalyseur d’oxydation et en amont du second dispositif de dépollution. - le second dispositif de dépollution comprend au moins un monolithe.
De manière avantageuse, le second dispositif de dépollution comprend au moins un monolithe qui peut être une monolithe SCR associé à un monolithe de filtre à particules. - le second dispositif de dépollution comprend un piège à NOx et un filtre à particules.
Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique selon une coupe longitudinale d’un système de dépollution de l’état de l’art. - la figure 2 est une représentation schématique selon une coupe longitudinale d’un système de dépollution selon un mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée des figures
Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires.
La figure 1 représente une coupe longitudinale d’un système de dépollution 10 selon l’état de l’art.
Ledit système comprend un premier dispositif de dépollution 11 qui est de manière préférentielle un catalyseur d’oxydation des gaz. Ledit premier dispositif de dépollution est disposé sensiblement horizontalement c’est-à-dire de façon parallèle au plan du véhicule. On entend par plan du véhicule le plan passant par exemple par les essieux dudit véhicule.
Le système de dépollution 10 comprend également un second dispositif 12 de dépollution qui peut être un dispositif de réduction des NOx (ou oxydes d’azote) 13 et/ou un dispositif de filtre à particules 14. Généralement, le second dispositif 12 comprend un carter cylindrique dans lequel sont aménagés selon le sens d’écoulement des gaz le dispositif pour piéger les NOx 13 comprenant un monolithe SCR 26 puis le autre dispositif pour filtrer les particules 14 comprenant un monolithe pour assurer le filtre à particules 27. Les deux monolithes 26, 27 peuvent être d’une même pièce. Le second dispositif peut être disposé dans le compartiment moteur du véhicule automobile de manière sensiblement parallèle au premier dispositif de dépollution, également parallèlement au plan du véhicule. De manière préférentielle, le second dispositif est disposé plus bas (selon un axe vertical perpendiculaire au plan du véhicule et orienté de façon opposée au sol où roule le véhicule) que le premier dispositif de dépollution.
Le système de dépollution comprend un conduit intermédiaire 15 reliant le premier 11 et le second dispositif 12 de dépollution. Ledit conduit est donc disposé sensiblement perpendiculaire à l’axe des premier et deuxième dispositifs et de façon sensiblement orthogonale au plan du véhicule. De manière préférentielle, le conduit intermédiaire est de forme tubulaire pour diminuer les pertes de charge.
Un injecteur 16 est fixé contre le conduit intermédiaire pour diffuser du liquide de réaction qui est de l’urée. L’injecteur est fixé de manière préférentielle pour que l’axe du jet d’urée soit sensiblement parallèle à l’axe du conduit intermédiaire. Le jet d’urée est diffusé dans le sens d’écoulement des gaz. De manière préférentielle, le jet de fluide doit rester vertical de haut en bas pour avoir la meilleure efficacité pour l’évaporation du fluide et son mélange avec les gaz brûlés.
Selon l’état de l’art, un mixeur statique 17 est disposé dans le conduit intermédiaire en aval de l’injecteur 16 pour brasser les gaz et permettre d’une part une évaporation du liquide de réaction et d’autre d’accroitre le mélange des gaz avec le liquide de réaction dans un mouvement de tourbillon par exemple. Ledit mixeur statique peut être un anneau comprenant des ailettes radiales qui se rejoignent au centre de l’anneau. De par sa fonction, le mixeur génère une perte de charge non négligeable, de l’ordre de 10% de la perte de charge totale de la ligne d’échappement, ce qui est susceptible d’entrainer une surconsommation du moteur et une augmentation des métaux précieux pour les dispositifs de dépollution. Du fait de la présence du mixeur statique 17 dans le conduit intermédiaire 15, la section de passage dudit conduit intermédiaire est sensiblement complémentaire à la section de l’anneau du mixeur. La section de passage peut donc être réduite et entraîner une perte de charge ainsi qu’une réduction de l’efficacité du système de dépollution 10.
La figure 2 représente un système de dépollution selon un mode préféré de réalisation de l’invention.
Le premier dispositif de dépollution 11 qui est un catalyseur d’oxydation plus connu sous le nom de pot catalytique comprend un carter 18 entourant une chambre cylindrique 19 généralement en acier inoxydable dans laquelle sont conduits les gaz d'échappement. Les gaz traversent les conduits d'une structure en nid d'abeille. L'intérieur des conduits est recouvert d'une fine couche de cristaux combinant de l'alumine, de l'oxyde de cérium et un métal précieux. Les conduits forment un monolithe 20 dont la section est sensiblement égale à la section de la chambre cylindrique 19. La structure interne du pot est conçue pour offrir une grande surface de contact entre les éléments catalyseurs et les gaz d'échappement.
Selon l’invention, la structure en nid d’abeille est de type métallique pour faciliter la transformation du monolithe 20. En effet, l’extrémité aval 21 dudit monolithe est découpée en biseau selon un angle 25 supérieur à 110° par rapport à l’axe X du monolithe 20. Ladite surface en biseau 21s est présentée de façon convexe c’est-à-dire tournée vers la partie supérieure 22 du carter 18. L’injecteur est déplacé depuis la branche intermédiaire pour être fixé dans la partie supérieure 22 du carter 18 du premier dispositif. L’injecteur 16 est positionné de telle façon que le jet de fluide soit dirigé directement vers la surface en biseau 21s du monolithe. Le fluide est projeté sensiblement verticalement de haut en bas directement vers la surface en biseau 21s avec un angle de diffusion adapté pour arroser une partie maximale de la surface en biseau. La surface en biseau est chauffée par le passage des gaz brûlés et elle améliore l’évaporation du fluide de réaction susceptible d’arriver à son contact et ensuite le mélange avec les gaz brûlés qui débouchent dans l’espace réduit 26 de la chambre cylindrique 19 complémentaire de l’extrémité aval 21 en biseau du monolithe 20.
Les gaz mélangés traversent ensuite le conduit intermédiaire 15 disposé verticalement et reliant le premier dispositif 11 de dépollution au second dispositif 12. Ledit conduit intermédiaire 15 est sensiblement tubulaire et ne comprend aucun obstacle au passage des gaz pouvant générer des pertes de charges.
Le conduit intermédiaire 15 peut également présenter une section de passage des gaz supérieure audit conduit intermédiaire de l’état de l’art, ce qui améliore l’efficacité du système de dépollution 10.
Le second dispositif est sensiblement identique au second dispositif de l’état de l’art. Il est apte à piéger les oxydes d’azote et de retenir des particules. Le second dispositif comprend ainsi un carter cylindrique 23 entourant un premier monolithe amont 26 destiné à piéger les oxydes d’azote et un second monolithe aval 27 pour filtrer les particules. L’objectif de l’invention est atteint : le système de dépollution comprend un premier dispositif de dépollution relié verticalement avec un second dispositif de dépollution selon une architecture en U dans le mode de réalisation présenté et un injecteur pour projeter du fluide de réaction dans le flux des gaz brûlés ; l’évaporation et le mélange du fluide et des gaz brûlés sont effectués de façon optimale sans nécessiter de moyen d’activation tel qu’un mixeur pouvant générer des pertes de charges.
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette prise, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes comme par exemple la disposition des dispositifs de dépollution en ligne.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS 1 Système de dépollution (10) de moteur thermique de véhicule automobile comprenant : - un premier dispositif de dépollution (11) disposé selon un axe X parallèle au plan du véhicule, - un second dispositif de dépollution (12) disposé en aval du premier dispositif (11) selon le sens d’écoulement des gaz et parallèlement au premier dispositif, - un injecteur (16) de liquide de réaction agencé orthogonalement à l’axe X desdits dispositifs de dépollution (11,12), caractérisé en ce que le premier dispositif de dépollution (11) comprend un premier monolithe (20) cylindrique présentant une surface d’extrémité aval en biseau (21s) sur laquelle l’injecteur est apte à diffuser du liquide.
  2. 2 Système de dépollution (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’injecteur (16) est disposé à l’extrémité aval (21) du premier dispositif (11).
  3. 3 Système de dépollution (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface d’extrémité aval en biseau (21s) est présentée en vis-à-vis de l’injecteur (16).
  4. 4 Système de dépollution (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la surface d’extrémité aval (21s) en biseau est convexe.
  5. 5 Système de dépollution (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’angle de biseau de la section d’extrémité aval du premier monolithe est supérieur à 110° par rapport à l’axe X du premier monolithe (20).
  6. 6 Système de dépollution (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le monolithe (20) du premier dispositif (11) est de type métallique.
  7. 7 Système de dépollution (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second dispositif de dépollution (12) comprend au moins un monolithe.
  8. 8 Système de dépollution (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier dispositif de dépollution (11) comprend un catalyseur d’oxydation.
  9. 9 Système de dépollution (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le second dispositif de dépollution (12) comprend un piège à NOx et un filtre à particules.
  10. 10 Moteur thermique de véhicule automobile comprenant un système de dépollution (10) selon l’une quelconque des revendications de 1 à 10.
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