Brevet FR2718188A1 — publié le 19951006

DISPOSITIF D'ECHAPPENENT 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 et 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 ne s'amorce que lorsque les catalyseurs ont atteint une certaine température, en générale supérieure à 300"C. I1 en résulte que, lors des démarrages des moteurs, la température des gaz d'échappement n'est pas suffisante pour amorcer les réactions chimiques, il s'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. Différentes solutions ont été proposées pour pallier à cet inconvénient. On peut 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 WON9O/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. Ces différentes solutions ont pour inconvénients d'impliquer des modes de réalisation onéreux et de nécessiter pour fonctionner un apport d'énergie plus ou moins important. Une autre solution pour accélérer la montée en température du catalyseur consiste à rapprocher ce dernier des chambres de combustion de façon à limiter les pertes thermiques et à conserver une température élevée aux gaz d'échappement entrant dans le pot catalytique. Cette dernière solution particulièrement peu coûteuse puisqu'aucun dispositif supplémentaire n'est nécessaire, s'avère toutefois difficile à mettre en oeuvre du fait des dimensions relativement importantes des pots catalytiques. Un pot catalytique est composé en effet classiquement, d'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, où 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'abeilles et revêtus de substances catalytiques, et une extrémité de sortie de forme tronconique divergente. Le divergent d'entrée a pour fonction de répartir de façon sensiblement homogène les gaz d'échappement sur la surface frontale du monolithe et d'éviter ainsi un vieillissement prématuré et hétérogène du catalyseur du à une mauvaise répartition des gaz d'échappement dans le monolithe. Les dimensions du divergent qui sont généralement imposées par la section du monolithe s'opposent donc au rapprochement du monolithe des chambres de combustion, notamment lorsque ce dernier a une forte section. L'objet de la présente invention est donc de permettre le rapprochement du catalyseur des chambres de combustion en modifiant la forme du pot catalytique de façon à réduire la longueur de ce dernier en amont du monolithe et ce de façon particulièrement simple et économique. Le dispositif d'échappement selon l'invention pour épurer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion comprend des tubulures d'échappement fixées à la sortie des cylindres correspondants du moteur et débouchant dans un conduit commun et un pot catalytique du type comportant une enveloppe externe oblongue canalisant les gaz et contenant 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 pour moteur à combustion interne est caractérisé en ce que l'enveloppe définit en amont du monolithe une cavité dans laquelle débouche le conduit commun selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinale de l'enveloppe et en ce que des parois déflectrices destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe sont logées à l'intérieur de cette cavité. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la cavité s'étendant en amont du monolithe de traitement a une section uniforme correspondant sensiblement à celle de ce dernier et une longueur axiale réduite. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les parois déflectrices destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe sont de formes hélicoïdales. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les parois déflectrices destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe de traitement sont directement solidarisées à la paroi intérieure de l'enveloppe. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les parois déflectrices destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe de traitement sont solidarisées à la section d'entrée de ce dernier. 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 est une vue schématique en coupe partielle et en perspective d'un dispositif d'échappement selon l'invention la figure 2 est une vue de détail 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 un moteur à combustion interne non figuré de véhicule automobile. 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 présenté sur les figures, équipe un moteur à combustion interne, 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 2a, 2b, 2c, 2d assurant l'évacuation des gaz brûlés de chacun des cylindres du moteur 1 et qui sont directement fixés à la culasse de ce dernier par l'intermédiaire d'une bride de fixation 1. Ces tubulures sont conformées pour déboucher conjointement dans un conduit de liaison commun 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 10. Le pot catalytique 4 est formé par une enveloppe oblongue 41 de section circulaire ou elliptique canalisant les gaz d'échappement. Elle est raccordée en amont au conduit 3 et en aval à la ligne d'échappement 10 et elle contient un (ou plusieurs) filtre monolithe de traitement 7 connu sous l'appellation corps à nid d'abeilles, qui se compose classiquement d'un bloc cylindrique de section circulaire ou elliptique correspondant sensiblement à celle de l'enveloppe de façon à occuper toute la largeur du passage. Ce monolithe 7, qui est réalisé classiquement en tôle d'acier inoxydable ou en céramique poreuse, définit une multitude de canaux de passage 8 disposés longitudinalement dont les parois sont recouvertes de catalyseur pour permettre le traitement des gaz d'échappement. La longueur du monolithe 7 est adaptée pour former à l'intérieur de l'enveloppe deux cavités l'une 6 vers l'amont et l'autre 9 vers l'aval dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement. L'extrémité aval 9 définit une extrémité de sortie sensiblement convergente tandis que la cavité amont 6 définit une extrémité d'entrée sensiblement cylindrique de hauteur réduite, délimitée axialement par la paroi d'extrémité 42 de l'enveloppe 41 et par la section d'entrée du monolithe 7. Le conduit commun 3 débouche dans la cavité amont 6 par un orifice d'admission agencé dans la paroi de l'enveloppe 41 de façon à introduire les gaz d'échappement selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinale de l'enveloppe 41 et du monolithe 7. Des parois déflectrices 51 et 52 sont disposées dans la cavité 6 pour répartir le flux des gaz d'échappement débouchant du conduit 3 sur toute la section d'entrée du monolithe 7. La figure 2 précise la forme des parois déflectrices 51 et 52 et leur action sur l'écoulement des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement sortant du conduit 3 sont dirigés par les parois sensiblement hélicoïdales 51 et 52 sur toute la section du monolithe 7. Cette disposition permet donc d'assurer une répartition homogène des gaz d'échappement dans le monolithe 7 et de supprimer le divergent d'entrée existant sur les pots catalytiques de l'art antérieur. La hauteur extrêmement réduite de la cavité 6 (NDR à l'attention des inventeurs : donner des exemples en liaison notamment avec les dimensions du monolithe) permet de diminuer la longueur du trajet des gaz d'échappement en amont du monolithe et limite donc le refroidissement de ces derniers. Les parois déflectrices 51 ou 52 destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe 7 sont solidarisées soit à la surface intérieure de la paroi d'extrémité 42 de façon à s'étendre en saille à l'intérieure de la cavité 6 selon une direction sensiblement axiale soit encore directement à la section d'entrée du monolithe 7. L'action des parois déflectrices qui engendrent une certaine rotation des gaz combinée au changement de direction engendrée par l'introduction des gaz . perpendiculairement aux canaux de passage 8 du monolithe 7, provoque la formation de tourbillons hélicoïdaux évoluant parallèlement à l'axe de l'enveloppe 41 générant une turbulence encore appelée "swirl" qui perdure durant la traversée des canaux de passage 8 du monolithe 7. Ce mouvement tourbillonnaire des gaz contribue à améliorer la catalyse en favorisant les contacts entre les gaz et le catalyseur contrairement aux pots catalytiques selon l'art antérieur à divergent d'entrée dans lesquels l'écoulement à travers le monolithe est essentiellement laminaire. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. 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, il est possible de perfectionner la forme et le nombre des parois déflectrices 51,52 en fonction des dimensions de l'orifice d'introduction des gaz d'échappement dans la cavité amont 6 et de la section d'entrée du monolithe 7 pour optimiser la répartition des gaz sur cette dernière. Ainsi, il également possible d'améliorer la répartition des gaz d'échappement sur la section d'entrée du monolithe 7 en combinant à l'action des parois déflectrices l'action de la paroi d'extrémité 42 notamment en lui donnant une forme en "toit" faisant évoluer la hauteur de la cavité entre un maximum au droit de l'orifice d'introduction des gaz à un minimum à l'opposé dudit orifice. REVENDICATIONS [1] Dispositif d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant des tubulures d'échappement (2a,2b,2c,2d) fixées à la sortie des cylindres correspondants du moteur et débouchant dans un conduit commun (3) et un pot catalytique (4) du type comportant une enveloppe externe oblongue (41) canalisant les gaz et contenant un monolithe (7) pour le traitement des gaz comportant de multiples canaux (8) disposés axialement et revêtus de substances catalytiques, caractérisé en ce que ladite enveloppe (41) définit en amont du monolithe (7) une cavité (6) dans laquelle débouche ledit conduit commun (3) selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinale de l'enveloppe (41) et en ce que des parois déflectrices (51,52) destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe (7) sont logées à l'intérieur de cette cavité (6). [2] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cavité (6) s'étendant en amont du monolithe (7) a une section uniforme correspondant sensiblement à celle du monolithe (7) et une longueur axiale réduite. [3] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdites parois déflectrices (51,52) destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe (7) sont de formes hélicoïdales. [4] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites parois déflectrices (51,52) destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe (7) sont solidarisées à la paroi intérieure de l'enveloppe (41). [5] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites parois déflectrices (51,52) destinées à répartir le flux des gaz d'échappement sur toute la section d'entrée du monolithe (7) sont solidarisées à la section d'entrée du monolithe (7).