Brevet FR2720782A1 — publié le 19951208

DISPOSITIF D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un dispositif d'échappement des gaz de combustion d'un moteur à combustion interne équipant notamment un véhicule automobile. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif d'échappement utilisant 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 Qt du monoxyde de carbone CO ainsi que la réduction des oxydes d'azote NOx. Ces réactions sont en effet toutes fortement accélérées par la présence de catalyseurs de sorte qu'elles peuvent s'accomplir pendant le bref temps de passage des gaz d'échappement à travers le pot. Toutefois, la conversion catalytique des polluants impose pour fonctionner correctement un contrôle précis de la température des gaz d'échappement. En effet, si les gaz d'échappement sont trop froids, comme par exemple au démarrage du moteur, les réactions catalytiques ne peuvent pas s'amorcer ; il ensuit donc une phase plus ou moins longue pendant laquelle les polluants émis par le moteur ne sont pas ou insuffisamment traités. On peut ainsi estimer que 80 à 90% des particules sont émises pendant les deux premières minutes de fonctionnement du moteur. Si au contraire, les gaz d'échappement sont très chauds, comme par exemple lors d'un fonctionnement à pleine charge, ils engendrent alors un vieillissement accéléré du catalyseur. Deux types de dispositifs d'échappement ont alors été développés. Les premiers disposent le pot catalytique loin du moteur de façon que la température des gaz soit suffisamment abaissée pour ne pas endommager le catalyseur, mais il est alors nécessaire de prévoir des moyens pour élever la température du pot catalytique lors des périodes de démarrage du moteur. On peut ainsi citer les systèmes d'injection d'air à l'échappement pour provoquer la post-combustion des gaz d'échappement et accélérer la montée en température du pot catalytique.On peut également citer les moyens de chauffage ou préchauffage électriques ou électromagnétiques des pots catalytiques tels que décrits dans les demandes de brevet WO-A-90/14507, WO-A-92/02714 ou encore EP-A-465.184. Le document WON90/02250 prévoit quant à lui l'utilisation d'un catalyseur dit de démarrage chauffé utilisé uniquement tant que les gaz d'échappement n'ont pas atteint une température suffisante, des moyens déflecteurs de courant dirigeant les gaz d'échappement en fonction de leur température vers le catalyseur de démarrage ou dans une voie de contournement. Les dispositifs du second type disposent eux, le pot catalytique le plus près possible du moteur et des chambres de combustion pour accélérer la montée en température du catalyseur en limitant les pertes therniques et en conservant une température élevée aux gaz d'échappement entrant dans le pot catalytique, mais il est alors nécessaire de prévoir des moyens pour diminuer la température du pot catalytique lors des autres périodes de fonctionnement et notamment lors des périodes de fonctionnement à pleine charge. On peut ainsi citer des pots catalytiques refroidis par liquide à partir d'un piquage opéré sur le circuit de refroidissement du moteur. Ces différentes solutions ont pour inconvénients d'impliquer des modes de réalisation onéreux, requérants l'utilisation de moyens échangeurs de chaleur pilotés fonctionnant sélectivement suivant les conditions de fonctionnement du moteur et nécessitant des apports d'énergie plus ou moins importants. L'objet de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif d'échappement catalytique performant, simple et peu coûteux, ne requérant aucun système de pilotage. Le dispositif d'échappement pour épurer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon l'invention, comporte un collecteur d'échappement présentant des tubulures d'échappement fixées à la sortie des cylindres correspondants du moteur, un pot catalytique présentant une enveloppe renfermant au moins un monolithe pour le traitement des gaz d'échappement et au moins un conduit de liaison de faible longueur reliant le collecteur au pot catalytique, de façon à disposer ce dernier le plus près possible du moteur. Selon l'invention, le dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne est caractérisé en ce que le conduit de liaison et/ou le pot catalytique sont munis de moyens de refroidissement fonctionnant en permanence et utilisant l'air ambiant comme fluide de refroidissement. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les moyens de refroidissement sont formés directement par les parois extérieures du conduit de liaison et/ou du pot catalytique qui sont adaptées pour offrir d'importantes surfaces d'échanges thermiques avec l'air ambiant. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les parois extérieures du conduit de liaison et/ou du pot catalytique sont adaptées pour offrir des surfaces d'échanges thermiques au moins deux fois plus importantes que les surfaces d'échanges thermiques des parois intérieures du conduit de liaison et/ou du pot catalytique au contact avec les gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les parois extérieures du conduit de liaison et/ou du pot catalytique sont munies d'ailettes. 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, sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale partielle d'un dispositif d'échappement selon l'invention. Seuls les éléments du dispositif d'échappement nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Conformément à la figure 1, le dispositif d'échappement présenté équipe un moteur à combustion interne référencé 1, à quatre cylindres en ligne disposé par exemple transversalement dans le compartiment avant d'un véhicule automobile. Le dispositif d'échappement comprend à son extrémité amont, dans le sens de l'écoulement des gaz brûlés, un collecteur 2 présentant quatre tubulures respectivement 21, 22, 23, 24 assurant l'évacuation des gaz brûlés de chacun des cylindres du moteur 1. Ces tubulures, qui sont directement fixées à la culasse du moteur par l'intermédiaire d'une bride de fixation, sont conformées pour déboucher conjointement dans un conduit de liaison commun métallique 3 conduisant les gaz à l'entrée d'un réacteur ou pot catalytique 4, les gaz étant ensuite rejetés à l'atmosphère à la sortie de la ligne d'échappement. Le conduit de liaison 3 est le plus court possible de façon à rapprocher le pot catalytique du moteur pour accélérer l'amorçage des réactions chimiques au démarrage du moteur. Le pot catalytique 4 comprend une enveloppe métallique définissant un passage s'étendant entre les extrémités tronconiques d'entrée et de sortie respectivement divergente et convergente. Dans ce passage est logé un (ou plusieurs) monolithe de traitement également connu sous l'appellation corps à nid d'abeilles, qui se compose classiquement d'un bloc oblong occupant toute la largeur du passage, par exemple en tôle d'acier inoxydable ou en céramique poreuse, ce corps étant formé d'une multitude de canaux disposés longitudinalement de section carrée ou trapézoïdale dont les parois sont recouvertes de catalyseur pour permettre le traitement des gaz d'échappement. Conformément à l'invention, les parois extérieures du conduit de liaison 3 et du pot catalytique 4 sont adaptées pour former d'importantes surfaces d'échanges thermiques avec l'air ambiant. L'augmentation des surfaces d'échange est obtenue grâce à des parois ondulées 6 ou encore grâce à des ailettes adaptées obtenues par fonderie ou forgeage avec lesdites parois ou encore soudées sur lesdites parois extérieures. Ainsi, grâce à ces parois extérieures présentant de larges surfaces d'échanges thermiques 6, le dispositif d'échappement selon l'invention opère naturellement le refroidissement par conduction grâce au seul courant d'air généré par le déplacement du véhicule et traversant le compartiment moteur du conduit 3 et du pot catalytique 4 et donc celui des gaz d'échappement et du monolithe lors du fonctionnement du moteur et notamment lors des fonctionnements à pleine charge du moteur, ce qui permet d'éviter malgré la proximité du moteur 1 une montée en température excessive du catalyseur. Ces surfaces d'échanges thermiques 6 ntont cependant aucune incidence sur la phase de montée en température du catalyseur lors des démarrages. En effet, lors des transitoires de démarrage à froid et notamment durant les premières minutes, les pertes thermiques sont principalement dues aux transferts d'énergie des gaz vers la surface des parois intérieures des conduits traversés. Les échanges thermiques vers l'extérieur sont alors mineurs et par conséquent les surfaces d'échanges thermiques externes de ces conduits ne jouent qu'un rôle secondaire. De ce fait, l'accroissement de la surface externe, objet de l'invention, ne modifie pas la température des gaz à l'entrée du monolithe lors des phases de démarrage du moteur 1 et donc ne retarde pas l'amorçage des réactions catalytiques. En revanche, après ces phases terminées, cet accroissement de la surface externe augmente les pertes thermiques entre les sorties du moteur et l'entrée du monolithe ce qui a pour effet d'abaisser le niveau de la température des gaz d'échappement. Ce dispositif, particulièrement simple et économique à réaliser, permet donc tout à la fois un amorçage rapide du catalyseur et la limitation de la température des gaz lors du fonctionnement du moteur ce qui retarde le vieillissement du catalyseur. La forme, les dimensions et les matériaux utilisés pour réaliser le dispositif d'échappement selon l'invention qui vient d'être décrit sont déterminés et optimisés au banc d'essai pour favoriser les transferts thermiques, afin de tenir compte notamment du niveau de la température admissible à l'entrée du pot catalytique, des températures en sortie de moteur, de la position du pot catalytique sur la ligne d'échappement ou encore de la facilité avec laquelle l'air est àà même de circuler le long du conduit 3 ou du pot catalytique 4. 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, l'adaptation des parois extérieures pour favoriser les échanges thermiques peut être limitée au seul conduit de liaison 3 ou au seul pot catalytique. REVENDICATIONS [1] Dispositif d'échappement pour épurer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant un collecteur d'échappement (2) présentant des tubulures d'échappement (21,22,23,24) fixées à la sortie des cylindres correspondants du moteur, un pot catalytique (4) présentant une enveloppe renfermant au moins un monolithe pour le traitement des gaz d'échappement et au moins un conduit de liaison (3) de faible longueur reliant ledit collecteur (2) audit pot catalytique (4), caractérisé en ce que ledit conduit de liaison (3) et/ou ledit pot catalytique (4) sont munis de moyens de refroidissement (6) fonctionnant en permanence et utilisant l'air ambiant comme fluide de refroidissement. [2] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de refroidissement (6) sont formés directement par les parois extérieures dudit conduit de liaison (3) et/ou dudit pot catalytique (4) qui sont adaptées pour offrir d'importantes surfaces d'échanges thermiques avec l'air ambiant. [3] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que les parois extérieures dudit conduit de liaison (3) et/ou dudit pot catalytique (4) sont adaptées pour offrir des surfaces d'échanges thermiques au moins deux fois plus importantes que les surfaces d'échanges thermiques des parois intérieures dudit conduit de liaison (3) et/ou dudit pot catalytique (4) au contact avec les gaz d ' échappement. [4] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que les parois extérieures dudit conduit de liaison (3) et/ou dudit pot catalytique (4) sont munies d'ailettes (6).