Brevet FR2717223A1 — publié le 19950915

DISPOSITIF D'LCHAPPEKENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention se rapporte à un dispositif d'échappement pour épurer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne équipant notamment un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif pour purifier les gaz d'échappement par conversion catalytique. D'une façon générale les normes concernant la pollution des moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles se sévérisent chaque jour davantage dans l'ensemble des pays industrialisés. L'industrie automobile est donc aujourd'hui toute entière mobilisée à trouver des solutions techniques pour répondre à ces contraintes et ce sans trop pénaliser ni les performances des moteurs ni leur prix de revient. Pour lutter contre l'émission des gaz polluants, l'industrie automobile a adopté l'utilisation de dispositifs d'échappement traitant par conversion catalytique les composants nocifs des gaz d'échappement. Ces dispositifs encore appelés pots catalytiques permettent en effet l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés HC et du monoxyde de carbone CO et la réduction des oxydes d'azote Noix. Ces réactions sont fortement accélérées par la présence d'un catalyseur de sorte qu'elles peuvent s'accomplir pendant le bref temps de passage des gaz d'échappement à travers le pot. Classiquement un pot catalytique est formé par une enveloppe délimitant un volume clos insérée dans la ligne d'échappement. Cette enveloppe présente, dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, une extrémité d'entrée de forme tronconique divergente, un corps cylindrique ou ovale, ou est positionné une structure de traitement des gaz formée par un réacteur métallique ou céramique, encore appelé monolithe, comportant une pluralité de canaux axiaux disposés en nid d'abeille et revêtus de substances catalytiques, et une extrémité de sortie de forme tronconique divergente. I1 est apparu à la Demanderesse que la seule présence d'un simple divergent disposé à l'entrée du monolithe ne permet pas de réaliser une distribution de l'écoulement des gaz d'échappement sur toute la surface transversale d'entrée du monolithe. I1 en résulte que seule une partie des canaux est réellement alimentée par l'écoulement des gaz d'échappement du moteur. Cela conduit, pour compenser cette perte en section, à surdimensionner le monolithe en l'allongeant pour pouvoir traiter convenablement la totalité des gaz d'échappement. L'objet de la présente invention est donc de proposer un système simple et économique qui permet de pallier aux inconvénients de l'art antérieur en assurant une excellente distribution des gaz d'échappement sur toute la section transversale du ou des monolithes servant à l'épuration catalytique des gaz d'échappement. Le dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'invention comporte une enveloppe destinée à être raccordée à la ligne d'échappement du moteur. Cette enveloppe définissant un passage pour les gaz d'échappement, présente des extrémités d'entrée et de sortie tronconiques respectivement divergente et convergente et un corps sensiblement cylindrique renfermant au moins un monolithe pour le traitement des gaz comportant de multiples canaux disposés axialement et revêtus de substances catalytiques. Selon l'invention, le dispositif d'échappement est caractérisé en ce que des moyens diffuseurs sont montés mobiles orientables dans ledit passage, en amont du monolithe de traitement dans le sens de l'écoulement des gaz, pour assurer sélectivement la distribution des gaz d'échappement sur la totalité de la section transversale du monolithe. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement objet de l'invention, les moyens diffuseurs coopèrent avec des moyens actionneurs pilotés en fonction de la température des gaz d'échappement pénétrant dans le dispositif d'échappement. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement objet de l'invention, les moyens diffuseurs sont réalisés en matériaux conducteurs de la chaleur. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement objet de l'invention, les moyens diffuseurs et l'enveloppe sont conformés de façon que les moyens diffuseurs puissent venir en contact des parois intérieures de l'enveloppe de façon à permettre un transfert thermique des moyens diffuseurs vers le corps de ladite enveloppe. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement objet de l'invention, l'enveloppe coopère avec des moyens de refroidissement disposés sensiblement au droit des moyens diffuseurs. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement objet de l'invention, les moyens diffuseurs sont constitués par un monolithe de dimension axiale réduite par rapport à la dimension axiale du monolithe de traitement, le monolithe diffuseur étant associé à un axe de rotation disposé transversalement dans le passage pour lui permettre de basculer. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement objet de l'invention, la dimension axiale du monolithe est comprise entre 10 et 50 mm. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement objet de l'invention, le monolithe diffuseur est revêtu de substances catalytiques et participe au traitement des gaz. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif d'échappement selon l'invention ; la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 précisant le fonctionnement du dispositif d'échappement selon l'invention. Le dispositif d'échappement selon l'invention est plus particulièrement destiné à venir équiper la ligne d'échappement non figurée d'un moteur à combustion interne. Seuls les éléments du dispositif d'échappement nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Pour faciliter la compréhension des figures, les mêmes éléments portent les mêmes références d'une figure à l'autre. Le dispositif d'échappement représenté sur les figures 1 et 2, comporte une enveloppe référencée 1 présentant un corps cylindrique 2 à section circulaire ou ovale et des extrémités tronconiques d'entrée 3 et de sortie 4 respectivement divergente et convergente, définissant un passage 10 pour les gaz d'échappement. Le conduit d'admission 5 fait partie intégrante de l'extrémité tronconique 3 et le conduit de sortie 6 fait partie intégrante de l'extrémité tronconique 4. Les conduits 5 et 6 permettent le raccordement du dispositif à la ligne d'échappement précitée. A l'intérieur du passage 10 sont logés l'un derrière l'autre deux monolithes 7 et 8. Ces monolithes également connus sous l'appellation corps à nid d'abeilles se composent de blocs cylindriques, par exemple en alliages métalliques ou en céramique poreuse, présentant une multitude de canaux d'écoulement axials, à travers lesquels s'écoulent les gaz d'échappement. Le premier monolithe 7 disposé à l'entrée du passage 10, dans le sens de l'écoulement des gaz, présente une longueur axiale restreinte par rapport au second monolithe 8. Cette longueur peut varier entre 10 et 50 mm pour un diamètre de 100 mm. Le monolithe 8 est disposé derrière le monolithe 7 à une certaine distance. Le monolithe 8 s'étend quant à lui, sur une longueur comprise entre 50 et 200 mm. La longueur axiale du monolithe 7 est choisie de façon préférentielle, inférieure au 1/4 de la longueur totale axiale des différents monolithes présents à l'intérieur du corps 2. L'objet du monolithe 7 est d'accentuer la diffusion des gaz d'échappement entrant dans l'enveloppe 1 de façon à répartir ces derniers sur toute la section du monolithe 8. Le monolithe 8 est lui plus particulièrement destiné au traitement des gaz d'échappement. Pour ce faire, il est revêtu de substances actives catalytiques qui peuvent être à oxydation ou à réduction ou bifonctionnel. Il est également possible de remplacer le monolithe 8 par deux monolithes distincts pouvant éventuellement recevoir des substances catalytiques de natures différentes, l'un pouvant être par exemple à oxydation et l'autre à réduction. Le monolithe diffuseur 7, quant à lui peut être revêtu de catalyseur, à oxydation ou à réduction ou bifonctionnel, ou bien ne pas l'être. Le monolithe 7 de faible épaisseur est monté selon l'invention mobile orientable dans le passage 10 en étant porté par un axe de rotation 9 s'étendant perpendiculairement à la direction générale du corps 2, de façon à n'assurer la diffusion des gaz que dans des circonstances prédéterminées d'utilisation de la ligne d'échappement. En effet, il est apparu que la diffusion des gaz d'échappement particulièrement utile lors des fonctionnements à pleine charge du moteur, s'avère défavorable notamment au démarrage en retardant l'amorçage du catalyseur. Lors de l'amorçage du catalyseur, il est préférable de laisser l'écoulement des gaz d'échappement se concentrer dans une partie seulement du monolithe 8, ce qui accélère la montée en température. L'axe 9 coopère avec des moyens de montage et de commande non figurés tels que des actuateurs mécaniques ou électromécaniques pilotés en fonction de la température des gaz d'échappement. Il est également possible d'affiner le contrôle du dispositif en fonction de la température des gaz d'échappement en utilisant également d'autres paramètres de contrôle moteur tels que la charge, le régime ou encore la température d'eau. Le monolithe 7 peut ainsi occuper en fonction de la température des gaz d'échappement deux positions distinctes. Lors des démarrages à froid, dans la phase d'amorçage du catalyseur, le monolithe 7 occupe alors une première position représentée à la figure 2. Dans cette position, l'axe du monolithe 7 s'étend sensiblement transversalement à l'axe du corps 2, l'écoulement des gaz d'échappement entrant dans l'enveloppe 1 n'est alors pas ou peu perturbé par le premier monolithe 7 et traverse alors le second monolithe 8 de traitement principalement dans sa région centrale où l'amorçage peut alors s'opérer rapidement. Lorsque la température des gaz dépasse une valeur prédéterminée, le monolithe est alors basculé dans la seconde position représentée à la figure 1. Le monolithe 7 est pivoté de 900 par rapport à la première position et s'étend sensiblement coaxialement au corps 2. Les gaz d'échappement sont alors obligés de traverser le monolithe 7. La traversée du monolithe 7 a pour effet de provoquer la diffusion des gaz, ce qui entraine la distribution des gaz d'échappement sur la totalité de la section transversale du monolithe 8, distribution amorcée par l'extrémité tronconique divergente d'entrée 3. Cette distribution des gaz d'échappement a pour effet de faire pénétrer ces derniers dans la totalité ou la quasi-totalité des canaux d'écoulement des gaz formés dans le monolithe 8. Ainsi le monolithe de traitement 8 est utilisé de façon optimale. L'augmentation de la surface utile de ce monolithe permet d'améliorer le traitement des gaz d'échappement et de réduire ses dimensions à traitement équivalent ou encore d'augmenter la durée de vie du catalyseur à dimensions équivalentes. Par ailleurs, en utilisant un monolithe diffuseur 7 revêtu de catalyseur, il possible de d'amorcer les réactions catalytiques qui se poursuivent ensuite dans le monolithe de traitement 8 de façon plus rapide, ce qui augmente encore l'efficacité du catalyseur 8. De plus, il est possible d'améliorer encore le fonctionnement du dispositif d'échappement selon l'invention, en utilisant le monolithe 7 pour opérer un refroidissement sélectif des gaz d'échappement. En effet, la température élevée des gaz, notamment lorsque l'enveloppe est positionnée sur la ligne d'échappement au voisinage du moteur pour favoriser la montée en température au démarrage, peut provoquer lors des fonctionnements à pleine charge la destruction du catalyseur. Or lors des fonctionnements à pleine charge, le monolithe 7 s'étend dans le passage 10 et est traversé par les gaz d'échappement. Il est donc possible d'absorber par convection une partie de la chaleur contenue dans les gaz et de l'évacuer par conduction dans le corps 2 de l'enveloppe 1. Pour ce faire, on utilise préférentiellement pour fabriquer le monolithe 7 et son axe 9 des matériaux bons conducteurs thermiques, tels que des alliages métalliques et on adapte les formes du monolithe 7 et du corps 2 pour permettre tout à la fois la rotation du monolithe 7 et le contact entre ce dernier et la paroi intérieure du corps 2 dans sa seconde position de façon à permettre le transfert thermique du monolithe 7 vers le corps 2. On peut également accentuer ce refroidissement, en agençant dans le corps 2 de l'enveloppe 1 et sensiblement au droit du monolithe 7 des moyens de refroidissement pilotés telle qu'une circulation de fluide caloporteur non figurée au moyen par exemple d'un canal circulaire avec une entrée et une sortie pour le fluide caloporteur reliées au circuit de refroidissement du moteur. Il est à noter que, lors du démarrage et de la montée en température du catalyseur, la surface de contact entre le monolithe 7 et les gaz d'échappement est considérablement réduite et que le monolithe 7 n'est plus en contact avec le corps 2 que par l'axe 9, il en résulte donc peu ou pas d'effet sur la montée en température du monolithe 7 dans cette phase de démarrage. Les dimensions du monolithe 7 sont ajustées à chaque ligne d'échappement par des séries de mesures aux bancs d'essais pour qu'en fonctionnant des débits de gaz circulant à travers le dispositif d'échappement, ils présentent la meilleure diffusion possible. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi, on peut prévoir l'utilisation d'une pluralité de monolithes diffuseurs distincts 7 disposés en amont du ou des monolithes de traitement 8. REVENDICATIONB [1] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne pour épurer les gaz d'échappement comportant une enveloppe (1) destinée à être raccordée à la ligne d'échappement du moteur, ladite enveloppe (1) définissant un passage (10) pour les gaz d'échappement présente des extrémités d'entrée (3) et de sortie (4) tronconiques respectivement divergente et convergente et un corps (2) sensiblement cylindrique renfermant au moins un monolithe (8) pour le traitement des gaz comportant de multiples canaux disposés axialement et revêtus de substances catalytiques, caractérisé en ce que des moyens diffuseurs (7) sont montés mobiles orientables dans ledit passage (1) en amont du monolithe (8) dans le sens de l'écoulement des gaz pour permettre sélectivement la distribution des gaz d'échappement sur sensiblement toute la section transversale du monolithe (8). [2] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens diffuseurs (7) coopèrent avec des moyens actionneurs pilotés en fonction de la température des gaz d'échappement et/ou de paramètres prédéterminés de contrôle moteur [3] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications l à 2, caractérisé en ce que lesdits moyens diffuseurs (7) sont réalisés en matériaux conducteurs de la chaleur. t4] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens diffuseurs (7) et l'enveloppe (1) sont conformés de façon que les moyens diffuseurs puissent venir en contact des parois intérieures de l'enveloppe (1) de façon à permettre un transfert thermique des moyens diffuseurs (7) vers le corps (2) de ladite enveloppe (1). [5] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que ladite enveloppe (1) coopère avec des moyens de refroidissement disposés sensiblement au droit des moyens diffuseurs (7). [6] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens diffuseurs sont constitués par un monolithe (7) de dimension axiale réduite par rapport à la dimension axiale du monolithe de traitement (8), le monolithe diffuseur (7) étant associé à un axe de rotation (9) disposé transversalement dans le passage (10) pour lui permettre de basculer. (7] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que la dimension axiale du monolithe (7) est comprise entre 10 et 50 mm. t8] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que le monolithe diffuseur (7) est revêtu de substances catalytiques et participe au traitement des gaz.