Brevet FR2717858A1 — publié le 19950929

DISPOSITIF D'ECHAPPEMENT 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 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 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 général supérieure à 2500C. 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. 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 WO-A-90/02250 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 dispositifs s'ils permettent effectivement de réduire le temps de montée en température des catalyseurs présentent l'inconvénient de nécessiter un apport d'énergie électrique qu'il est nécessaire de prélever sur les moteurs (ce qui induit une surconsommation de ces derniers et donc finalement un accroissement de la pollution), ou bien de requérir une technologie trop coûteuse. 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 montée rapide en température du pot catalytique. Le dispositif d'échappement selon l'invention pour épurer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comporte des tubulures d'échappement fixées à la sortie des cylindres correspondants du moteur, un pot catalytique du type présentant 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, et au moins un conduit reliant les tubulures au pot catalytique. Selon l'invention, le dispositif d'échappement est caractérisé en ce que le conduit reliant les tubulures au pot catalytique est entouré par une enveloppe définissant un espace annulaire autour du conduit alimenté sélectivement en gaz d'échappement ou en air frais selon la température des gaz d'échappement et/ou les conditions de fonctionnement du moteur pour assurer respectivement le chauffage ou le refroidissement des gaz d'échappement circulant à l'intérieur du conduit. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, l'enveloppe est raccordée à l'une de ses extrémités longitudinale à la sortie du pot catalytique par l'intermédiaire d'une conduite débouchant dans le cône de sortie du pot catalytique et à son autre extrémité à une conduite de mise à l'air libre. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, des moyens obturateurs sont disposés à la sortie du pot catalytique de façon à forcer sélectivement le passage de tout ou partie des gaz d'échappement ayant traversé le pot catalytique vers l'enveloppe. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les moyens obturateurs sont constitués par une bilame sensible à la température des gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la conduite de mise à l'air libre est raccordée à une source d'alimentation en air sous pression par l'intermédiaire d'une conduite débouchant dans la conduite de mise à l'air libre par une vanne pilotée. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la conduite de mise à l'air libre est raccordée à une conduite de recirculation des gaz à l'admission du moteur. 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, fourni à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale partielle 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. Conformément aux figures 1 à 2, seuls les éléments du dispositif d'échappement nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Pour faciliter la lecture 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 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 brillés, un collecteur 2 présentant quatre tubulures respectivement 21, 22, 23, 24 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. Ces tubulures sont conformés pour déboucher conjointement dans un conduit de liaison commun 3 conduisant les gaz à l'entrée d'un réacteur catalytique 4, les gaz étant ensuite rejetés à l'atmosphère à la sortie de la ligne d'échappement. Le pot catalytique 4 comprend 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. Sur la majeure partie de la longueur du conduit de liaison 3 est montée par exemple soudée une enveloppe 8 sensiblement concentrique, définissant un espace annulaire s'étendant autour du conduit 3. Cette enveloppe 8 est raccordée à l'une de ses extrémités longitudinales à la ligne d'échappement par l'intermédiaire d'une conduite 6 débouchant par un orifice 5 dans le cône de sortie du pot catalytique 4, et d'autre part à son autre extrémité à l'atmosphère par l'intermédiaire d'une conduite 7. Le dispositif d'échappement selon l'invention comporte de plus des moyens obturateurs 10 disposés à la sortie du pot catalytique 4. Ces moyens obturateurs 10 peuvent être constitués, comme dans l'exemple figuré, par une bilame sensible à la température des gaz d'échappement ou bien encore par des systèmes mécaniques ou électromécaniques actionnés par des moyens de commande appropriés. Par ailleurs, l'enveloppe 8 peut être alimentée en air sous pression par une conduite d'admission d'air 11 qui est connectée par l'intermédiaire d'une vanne 9 trois voies sur la conduite 7. L'air sous pression peut provenir d'une pompe à air électrique ou mécanique, ou encore d'une prise d'air dynamique. La vanne 9 est actionnée par des moyens de commande appropriés pilotés en fonction notamment de la température des gaz d'échappement. Conformément à la description qui précède, le fonctionnement du dispositif d'échappement selon l'invention est le suivant. Durant la phase d'amorçage du catalyseur, notamment lors du démarrage à froid du moteur, la bilame 10 s'étend sensiblement dans le passage des gaz d'échappement, cf figure 1, et la vanne 9 est positionnée de façon à obturer la conduite 11 et à ouvrir la conduite 7 pour permettre le passage des gaz de l'enveloppe 8 vers l'atmosphère. Les gaz d'échappement sortant du pot catalytique 4 sont alors en grande partie recirculés à travers la conduite 6. Ils balayent alors l'espace annulaire défini par l'enveloppe 8 autour du conduit 3 puis sont évacués à l'atmosphère par la conduite 7. Cette recirculation permet de réchauffer par convection le conduit 3 et ainsi à limiter les déperditions calorifiques des gaz d'échappement en amont du catalyseur, ce qui a pour effet d'accélérer sensiblement l'amorçage du catalyseur. L'utilisation de moyens obturateurs telle qu'une bilame 10 qui sert à forcer le débit des gaz d'échappement recirculés dans l'enveloppe 8, a également pour effet d'augmenter le temps de passage des gaz dans le monolithe ce qui contribue encore à favoriser l'amorçage du catalyseur. Après l'amorçage du catalyseur, la bilame 10 se rétracte sous l'effet de l'élévation de la température libérant l'écoulement des gaz vers la ligne d'échappement, ces derniers n'empruntent donc plus la conduite 6 et l'enveloppe 8 n'est donc plus alors balayée par les gaz d'échappement. Lorsque la température des gaz sortant du moteur 1 devient particulièrement élevée, notamment lors des fonctionnements du moteur à pleine charge, ce qui peut risquer d'entralner une augmentation excessive de la température au niveau du catalyseur susceptible de provoquer la destruction de ce dernier, on peut alors opérer le refroidissement des gaz d'échappement arrivant dans le pot catalytique 4 par une circulation d'air frais dans l'enveloppe 8. Pour ce faire, la vanne 9 est positionnée de façon à faire communiquer la conduite 11 et la conduite 7 et à obturer cette dernière en aval, cf figure 2. I1 est alors possible d'alimenter en air sous pression en provenance de la conduite 11 l'espace annulaire formé par l'enveloppe 8, cet air étant ensuite évacué dans la ligne d'échappement en aval du pot catalytique 4 par la conduite 6. Le balayage de l'air frais entrain le transfert thermique des calories des gaz d'échappement évacués à travers le conduit 2 et l'air circulant dans l'enveloppe 8. Ainsi le dispositif d'échappement selon l'invention permet par une simple enveloppe 8 faisant office d'aérotherme et par des conduites d'alimentation en air frais ou en gaz d'échappement commandées par des obturateurs pilotés, de contrôler la température des gaz d'échappement entrant dans le pot catalytique 4. Le pilotage du dispositif est opéré en fonction de la température des gaz en sortie de monolithe mais peut également utiliser d'autre paramètre de contrôle moteur tel que le régime ou la charge du moteur. 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 entre le conduit 3 et l'enveloppe 8. 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, dans une variante de réalisation, il est également possible lors de la recirculation des gaz brûlés dans l'enveloppe 3 de les évacuer non pas directement à l'atmosphère à travers la conduite 7 mais de les réintroduire à l'admission du moteur en utilisant la conduite 11 comme une conduite de recirculation des gaz brûlés. REVENDICATIONS [1] Dispositif d'échappement pour épurer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant des tubulures d'échappement (21,22,23,24) fixées à la sortie des cylindres correspondants du moteur, un pot catalytique (4) du type présentant 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, et au moins un conduit (3) reliant lesdites tubulures (21,22,23,24) audit pot catalytique (4), caractérisé en ce que ledit conduit (3) est entouré par une enveloppe (8) définissant un espace annulaire autour du conduit (3) alimenté sélectivement en gaz d'échappement ou en air frais selon la température des gaz d'échappement et/ou les conditions de fonctionnement du moteur pour assurer respectivement le chauffage ou le refroidissement des gaz d'échappement circulant à l'intérieur dudit conduit (3). [2] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe (8) est raccordée à l'une de ses extrémités longitudinales à la sortie du pot catalytique (4) par l'intermédiaire d'une conduite (6) débouchant dans le cône de sortie du pot catalytique (4) et à son autre extrémité à une conduite de mise à l'air libre (7). t3] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que des moyens obturateurs (10) sont disposés à la sortie du pot catalytique (4) en aval de la conduite (6) dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, de façon à forcer sélectivement le passage de tout ou partie des gaz d'échappement ayant traversé le pot catalytique (4) vers ladite enveloppe (8). [4] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens obturateurs sont constitués par une bilame (10) sensible à la température des gaz d'échappement. (5] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite conduite (7) de mise à l'air libre est raccordée à une source d'alimentation en air sous pression par l'intermédiaire d'une conduite (11) débouchant dans ladite conduite (7) de mise à l'air libre par une vanne pilotée (9). [6] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ladite conduite (7) de mise à l'air libre est raccordée une conduite de recirculation des gaz à l'admission du moteur.