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FR3097905A1 - Dispositif de post traitement des gaz d’échappement - Google Patents

Dispositif de post traitement des gaz d’échappement Download PDF

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Faurecia Systemes dEchappement SAS
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Abstract

Dispositif de post traitement des gaz d’échappement Dispositif (1) de post traitement de gaz d’échappement pour un moteur à combustion interne pour mélanger le gaz d’échappement avec un réducteur, comprenant une chambre de mélange (2) au travers de laquelle le gaz d’échappement circule et un pulvérisateur de réducteur (3) pour pulvériser un réducteur dans la chambre de mélange (2), ledit pulvérisateur de réducteur (3) comprenant au moins une première buse (4) et au moins une deuxième buse (5), où ladite au moins une première buse (4) est conçue pour produire de petites gouttelettes et ladite au moins une deuxième buse (5) est conçue pour produire de grosses gouttelettes. Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Dispositif de post traitement des gaz d’échappement
La présente invention concerne le domaine technique des mélangeurs de réduction. Un mélangeur de réduction est un dispositif situé dans la sortie d’un moteur à combustion interne et dont la fonction est de mélanger un réducteur, telle une solution d’urée, appelée AdBlue ou DEF, avec le gaz d’échappement, de manière à dépolluer ledit gaz d’échappement en réduisant les NOx contenus dans le gaz d’échappement.
Il est connu de disposer une chambre de mélange dans une canalisation d’échappement. Le gaz d’échappement s’écoule à travers cette chambre de mélange. Au moins une buse est disposée dans ladite chambre de mélange de manière à pulvériser le réducteur dans ladite chambre de mélange et dans le flot de gaz d’échappement. La pulvérisation produite comprend des gouttelettes de réducteur afin de se mélanger avec ledit gaz d’échappement.
Selon des facteurs tels que la température et/ou le débit massique de gaz d’échappement le mélange peut ne pas être satisfaisant. Soit la pulvérisation n’est pas assez forte pour complétement traverser le flot de gaz et ainsi ne pas fournir assez de réducteur ou de manière pas assez homogène, soit la pulvérisation est trop forte et peut voire du réducteur atteindre un mur opposé de la chambre où il peut se déposer. Un tel dépôt est préjudiciable en ce qu’une fois déposé, le réducteur peut avoir plus de difficultés à s’évaporer et alors resté déposé au lieu de se mélanger avec le gaz d’échappement. De plus, le dépôt peut avoir des effets contraires sur le mélange et la chute de pression du système d’échappement.
US20170191393 divulgue l’utilisation de deux buses, où chaque buse est située dans une chambre de mélange séparée,
WO2018190843 divulgue une première buse principale, fonctionnant en permanence, et une seconde buse auxiliaire qui peut porter assistance en cas de besoin. En l’absence d’indications supplémentaires, les deux buses semblent être identiques.
US20160090887 divulgue deux buses. Ces buses sont des buses « fortes » en ce qu’elles conduisent toutes les deux à de dépôts de réducteur. Les deux buses sont utilisées alternativement afin de donner du temps à chaque dépôt de réducteur correspondant pour s’évaporer, lorsque sa buse n’est plus en fonctionnement. En l’absence d’indications supplémentaires, les deux buses semblent être identiques.
Aucune de ces propositions n’est entièrement satisfaisante. Aussi l’invention propose une solution différente ne présentant pas les inconvénients de ces propositions, tout en résolvant tous les problèmes de mélange.
L’invention concerne un dispositif de post traitement de gaz d’échappement pour un moteur à combustion interne pour mélanger le gaz d’échappement avec un réducteur, comprenant une chambre de mélange au travers de laquelle le gaz d’échappement circule et un pulvérisateur de réducteur pour pulvériser un réducteur dans la chambre de mélange, ledit pulvérisateur de réducteur comprenant au moins une première buse et au moins une deuxième buse, où ladite au moins une première buse est conçue pour produire de petites gouttelettes et ladite au moins une deuxième buse est conçue pour produire de grosses gouttelettes.
D’autres caractéristiques ou modes de réalisation, utilisable seuls ou en combinaison sont :
- ladite au moins une première buse est principalement utilisée lorsque l’énergie du gaz d’échappement est faible et ladite au moins une deuxième buse est principalement utilisée lorsque l’énergie du gaz d’échappement est élevée,
- ladite au moins une première buse est utilisée selon une fonction décroissante de l’énergie du gaz d’échappement et ladite au moins une première buse est utilisée selon une fonction croissante de l’énergie du gaz d’échappement,
- ladite au moins une première buse est située dans un endroit de la chambre de mélange plus sensible à la formation de dépôt et ladite au moins une deuxième buse est située dans un endroit de la chambre de mélange moins sensible à la formation de dépôt,
- ladite au moins une première buse est située dans une zone restreinte de la chambre de mélange où la paroi opposée est plus proche et ladite au moins une deuxième buse est située dans une zone plus large de la chambre de mélange,
- une petite gouttelette présente un diamètre moyen de Sauter compris entre 10 et 30 μm, préférentiellement égal à 20 μm, et une grosse gouttelette présente un diamètre moyen de Sauter compris entre 40 et 70 μm, préférentiellement égal à 55 μm,
- une énergie faible correspond à une température comprise entre 180 °C et 300 °C et une énergie élevée correspond à une température comprise entre 300 °C et 500 °C.
L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante, uniquement illustrative, et en référence aux figures annexées dans lesquelles :
La figure 1 représente un dispositif de post traitement de gaz d’échappement selon l’invention selon une vue sectionnelle coupée le long de l’axe de la canalisation d’échappement,
La figure 2 représente une possible loi de commande pour les buses respectives.
En référence à la figure 1, est montré un dispositif 1 de post traitement de gaz d’échappement selon l’invention. Ce dispositif 1 de post traitement est intégré dans une tuyauterie d’échappement d’un moteur à combustion interne, typiquement après/à l’aval d’un dispositif catalytique (non illustré). Le dispositif 1 de post traitement comprend une chambre de mélange 2. Le gaz d’échappement entre dans la chambre de mélange 2 par une entrée, ici sur la gauche, et sort de la chambre de mélange 2 par une sortie, ici sur la droite, circulant ainsi au travers de la chambre de mélange 2. Le dispositif 1 de post traitement comprend encore un pulvérisateur de réducteur 3, typiquement situé dans une paroi de ladite chambre de mélange 2 afin d’être capable de pulvériser du réducteur dans la chambre de mélange 2 et ainsi au travers du gaz d’échappement en circulation. Ce pulvérisateur de réducteur 3 comprend typiquement une pompe pour mettre sous pression le réducteur et au moins un doseur apte à délivrer une quantité donnée de réducteur. Pour cela chaque doseur peut comprendre par exemple un actionneur aiguille pour contrôler le dosage de réducteur. Alternativement, le dosage peut être réalisé par la pompe. Le dispositif 1 de post traitement comprend au moins un premier doseur et au moins un deuxième doseur, chaque doseur comprenant une buse à son extrémité. Le dispositif 1 de post traitement comprend ainsi au moins une première buse 4 et au moins une deuxième buse 5. Selon une caractéristique, ladite au moins une première buse 4 est conçue pour produire de petites gouttelettes et ladite au moins une deuxième buse est conçue pour produire de grosses gouttelettes.
Les petites gouttelettes sont avantageusement plus sujettes à évaporation et ainsi se mélange plus facilement avec le flot de gaz d’échappement. De plus, de fait que les petites gouttelettes présentent une inertie faible, elles sont moins capables d’atteindre la paroi opposée de la chambre de mélange 2 et ainsi n’empiètent pas sur cette paroi opposée et ne forment pas de dépôts préjudiciables. Cependant, il est plus difficile de délivrer une quantité importante de réducteur en utilisant de petites gouttelettes. De plus, du fait que les petites gouttelettes présentent une inertie faible, elles sont moins capables d’atteindre la partie du flot de gaz d’échappement la plus éloignée de la buse, conduisant potentiellement à un mélange non-homogène.
Les grosses gouttelettes présentent les avantages et inconvénients opposés. Elles présentent une plus grande inertie et ainsi sont plus aptes à traverser le flot de gaz d’échappement et à produire un mélange homogène. D’un autre côté, cette inertie plus grande augmente le risque d’empiétement et de dépôt. Une quantité plus importante de réducteur pulvérisé conduit à une production de gouttelettes plus grosses ce qui signifie une évaporation plus difficile et une capacité de mélange réduite.
Selon une autre caractéristique, en accord avec les avantages et inconvénients précédemment décrits, ladite au moins une première buse 4 est principalement utilisée lorsque l’énergie du gaz d’échappement est faible et ladite au moins une deuxième buse 5 est principalement utilisée lorsque l’énergie du gaz d’échappement est élevée.
L’énergie du gaz d’échappement est reliée à la température et au débit massique. Par simplicité, elle est observée en surveillant la température.
Quand la température est faible l’évaporation est ralentie. Quand le débit massique est faible le risque d’empiétement/dépôt est augmenté tandis que la quantité de réducteur nécessaire est diminuée. Ces spécifications sont en adéquation avec une buse à petites gouttelettes.
Au contraire, quand la température est haute, l’évaporation est accélérée, améliorant le mélange y compris de grosses gouttelettes et réduisant les conséquences des dépôts. Quand le débit massique est élevé le risque d’empiétement/dépôt est diminué tandis que la quantité de réducteur nécessaire est augmentée. Ces spécifications sont en adéquation avec une buse à grosses gouttelettes.
Selon une autre caractéristique avantageuse, les deux types de buse sont opérées de manière coordonnée : ladite au moins une première buse 4 est utilisée selon une fonction décroissante de l’énergie du gaz d’échappement, tandis que ladite au moins une deuxième buse 5 est utilisée selon une fonction croissante de l’énergie du gaz d’échappement. La figure 2 montre un mode de réalisation de cette caractéristique : sur un diagramme représentant l’énergie/température T (et/ou le débit massique) du gaz d’échappement en abscisses et un taux d’utilisation relatif d’une buse en ordonnées, la courbe C1 indique le taux commandé d’utilisation d’une première buse 4 (petites gouttelettes) et la courbe C2 indique le taux commandé d’utilisation d’une deuxième buse 5 (grosse gouttelettes). Il peut être vu que à faible énergie la première buse 4 est utilisée seule, tandis que à haute énergie la seconde buse 5 est utilisée seule. Dans l’intervalle, le taux de la première buse décroît continûment, tandis que le taux de la deuxième buse croît continûment, de manière complémentaire.
Chaque buse peut être commandée en fonction de l’énergie caractérisée par la température du gaz d’échappement. La température peut être mesurée par exemple par un capteur de température disposé dans la canalisation d’échappement. Alternativement la température peut être fournie par l’unité de contrôle moteur ou tout autre unité.
De manière évidente, les deux types de buses sont opérés de manière coordonnée de telle manière à ce que la quantité cumulée de réducteur distribuée dans la chambre de mélange 2 par toutes les buses soit égale à la quantité totale nécessaire pour réduire les NOx transportés par le gaz d’échappement, ladite quantité étant déterminée de manière connue en fonction du débit massique et de la quantité de NOx du gaz d’échappement en sortie du moteur.
Une buse est une pièce comprenant un alésage calibré. La taille des gouttelettes sortant d’une buse peut être directement reliée au diamètre de cet alésage, pour une viscosité et une pression de réducteur données.
Plutôt que d’utiliser deux buses, un pour petites gouttelettes et un pour grosses gouttelettes, il a été envisagé d’utiliser une unique buse variable permettant de faire varier la taille/diamètre de son alésage de manière à varier la taille des gouttelettes. Cette solution a été rejetée en raison de la complexité d’une telle buse variable. Deux buses de taille fixe, avec des tailles différentes, y compris avec l’ajout d’un répartiteur variable pour faire varier la répartition de réducteur entre lesdites deux buses, apparaît plus simple et plus robuste. De plus, deux buses présentent un avantage relativement à une unique : elles peuvent être disposées indépendamment dans des zones différentes d’une chambre de mélange 2, chacune selon ses contraintes propres. Ainsi, par exemple, une buse à petites gouttelettes peut être installée dans un endroit plus sensible à la formation de dépôts, par exemple dans une zone plus restreinte de la chambre de mélange 2 où la paroi opposée est plus proche. Les petites gouttelettes s’évaporant plus rapidement, et l’inertie étant plus faible, the risque d’empiétement serait réduit ainsi que la formation de dépôts. La buse à grosses gouttelettes, d’un autre côté, peut être installée dans un endroit moins sensible à la formation de dépôts, par exemple dans une zone plus grande de la chambre de mélange 2.
Une buse pulvérise un réducteur sous forme de gouttelettes de différentes tailles réparties selon une distribution sensiblement gaussienne. Une telle distribution est habituellement caractérisée par un unique nombre moyen, par exemple un diamètre moyen de Sauter, ou en anglais « Sauter Mean Diametre » ou SMD.
Sur cette base, une petite gouttelette présente un diamètre moyen de Sauter avantageusement compris entre 10 et 30 μm, préférentiellement égal à 20 μm, et une grosse gouttelette présente un diamètre moyen de Sauter avantageusement compris entre 40 et 70 μm, préférentiellement égal à 55 μm.
Selon une caractéristique avantageuse, une énergie faible correspond à une température comprise entre 180 °C et 300 °C et une énergie élevée correspond à une température comprise entre 300 °C et 500 °C.
L’invention a été décrite en détail dans la description précédente en référence aux figures jointes. Cette description doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et l’invention ne peut être considérée comme limitée à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.
1 : dispositif de post traitement,
2 : chambre de mélange,
3 : pulvérisateur de réducteur,
4 : petite gouttelette/première buse,
5 : grosse gouttelette/deuxième buse

Claims (6)

  1. Dispositif (1) de post traitement de gaz d’échappement pour un moteur à combustion interne pour mélanger le gaz d’échappement avec un réducteur, comprenant une chambre de mélange (2) au travers de laquelle le gaz d’échappement circule et un pulvérisateur de réducteur (3) pour pulvériser un réducteur dans la chambre de mélange (2), ledit pulvérisateur de réducteur (3) comprenant au moins une première buse (4) et au moins une deuxième buse (5), caractérisé en ce que ladite au moins une première buse (4) est conçue pour produire de petites gouttelettes, présentant un diamètre moyen de Sauter compris entre 10 et 30 μm, et ladite au moins une deuxième buse (5) est conçue pour produire de grosses gouttelettes, présentant un diamètre moyen de Sauter compris entre 40 et 70 μm.
  2. Dispositif (1) selon la revendication 1, où ladite au moins une première buse (4) est principalement utilisée lorsque l’énergie du gaz d’échappement est faible et ladite au moins une deuxième buse (5) est principalement utilisée lorsque l’énergie du gaz d’échappement est élevée, et où une énergie faible correspond à une température comprise entre 180 °C et 300 °C et une énergie élevée correspond à une température comprise entre 300 °C et 500 °C.
  3. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, où ladite au moins une première buse (4) est utilisée selon une fonction décroissante de l’énergie du gaz d’échappement et ladite au moins une première buse (4) est utilisée selon une fonction croissante de l’énergie du gaz d’échappement.
  4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, où ladite au moins une première buse (4) est située dans un endroit de la chambre de mélange (2) plus sensible à la formation de dépôt et ladite au moins une deuxième buse (5) est située dans un endroit de la chambre de mélange (2) moins sensible à la formation de dépôt.
  5. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, où ladite au moins une première buse (4) est située dans une zone restreinte de la chambre de mélange (2) où la paroi opposée est plus proche et ladite au moins une deuxième buse (5) est située dans une zone plus large de la chambre de mélange (2).
  6. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, où une petite gouttelette présente un diamètre moyen de Sauter égal à 20 μm, et/ou une grosse gouttelette présente un diamètre moyen de Sauter égal à 55 μm.
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