Brevet FR2731746A1 — publié le 19960920

DISPOSITIF D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION La présente invention concerne un dispositif à'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 brillés par conversion catalytique destiné à un moteur à combustion interne à allumage par compression. D'une façon générale les normes concernant la pollution des moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles se sévérisent chaquè 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 contenus dans les gaz brillés des moteurs à combustion interne, l'industrie automobile a adopté l'utilisation de dispositifs d'épuration traitant par conversion catalytique les composants nocifs des gaz brillées. De tels 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 brillés à travers le pot. Toutefois, la conversion catalytique des oxydes d'azote NOx n'est possible qu'à condition d'être opérée en l'absence d'oxygène susceptible de réoxyder l'azote. Or, dans le cas des moteurs à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre, comme par exemple les moteurs à allumage par compression encore appelés moteurs diesels, les gaz brillés contiennent trop d'oxygène pour permettre un emploi efficace de catalyseur à réduction, comme par exemple le rhodium, susceptibles de traiter les NOx. Différentes solutions ont été proposées pour remédier à cet inconvénient qui consistent à injecter dans les gaz brillés riches en oxygène des substances réductrices de façon à permettre malgré tout la conversion catalytique des oxydes d'azote NOx. On peut ainsi citer les systèmes d'injection de carburant dans le dispositif d'échappement des gaz brillés en amont du catalyseur pour saturer les gaz brillés d'hydrocarbures HC fortement réducteurs. L'injection de carburant et notamment de gazole dans le dispositif d'échappement des gaz brillés, soulève toutefois des problèmes notamment du fait d'une mauvaise vaporisation du gazole liquide, or seuls les hydrocarbures gazeux sont susceptibles de constituer les agents réducteurs nécessaires à la réduction des oxydes d'azote, par ailleurs l'introduction du gazole liquide dans les réacteurs catalytiques peut dans certaines conditions conduire à un encrassement et donc à une inefficacité du catalyseur de réduction mais également du catalyseur d'oxydation utilisé pour traiter le monoxyde de carbone CO. Les difficultés inhérentes à l'injection de carburant et notamment de gazole à l'échappement freinent donc aujourd'hui considérablement l'emploi de catalyseur à réduction notamment pour les moteurs à combustion interne à allumage par compression et donc ne permettent pas d'améliorer encore la dépollution de ces moteurs. L'objet de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients précités en améliorant sensiblement la vaporisation du carburant et notamment du gazole injecté donc les dispositifs d'échappement des moteurs à combustion interne et ce de façon particulièrement simple et économique. Le dispositif d'échappement selon l'invention pour épurer les gaz brûlés d'un moteur à combustion comprend un collecteur destiné à être fixé à la culasse du moteur, un pot catalytique comportant un catalyseur à réduction et, s'étendant entre le collecteur et le pot catalytique, un conduit de liaison coopérant avec des moyens d'injection de carburant pilotés par des moyens de commande suivant les conditions de fonctionnement du moteur. Selon l'invention, le dispositif d'échappement est caractérisé en ce que le conduit de liaison comporte des moyens de rétention du carburant liquide injecté par les moyens d'injection de carburant, ces moyens de rétention du carburant liquide injecté étant destinés à favoriser la vaporisation de ce dernier au contact des gaz brûlés traversant le conduit de liaison avant de pénétrer dans le pot catalytique. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les moyens de rétention du carburant liquide injecté par les moyens d'injection de carburant sont constitués par des éléments de filtre aptes à retenir le carburant liquide tout en permettant le libre passage des gaz brillés. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, l'élément de filtre permettant la rétention du carburant liquide, est constitué par un monolithe s'étendant à travers toute la section du conduit de liaison en aval des moyens d'injection de carburant. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, l'élément de filtre permettant la rétention du carburant liquide, est constitué par une couche de matériau poreux portée par la paroi intérieure du conduit de liaison s'étendant en regard de l'orifice d'injection du carburant. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, l'élément de filtre permettant la rétention du carburant liquide, est constitué par une couche de matériau poreux recouvrant l'orifice d'injection du carburant débouchant dans le conduit de liaison. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de différents modes de réalisation de l'invention, choisis à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe d'un dispositif d'échappement conforme à la présente invention ; la figure 2 est une vue similaire à la figure l d'une première variante de réalisation du dispositif d'échappement conforme à la présente invention ; la figure 3 est une vue similaire à la figure l d'une seconde variante de réalisation du dispositif d'échappement conforme à la présente invention. Le dispositif d'échappement selon l'invention est plus particulièrement destiné à équiper un moteur à combustion interne multicylindre comme par exemple celui d'un véhicule automobile. Seuls les éléments du dispositif d'échappement qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés sur le dessin. Conformément aux figures et notamment à la figure 1, le dispositif d'échappement représenté est adapté pour équiper un moteur à combustion interne non figuré du type à allumage par compression et à quatre cylindres. Ce dispositif d'échappement se compose principalement, de l'amont vers l'aval dans le sens de l'écoulement des gaz brillées, d'un collecteur d'échappement 2, d'un élément de conduit d'échappement 3 et d'un pot catalytique 6 à un ou plusieurs lits comportant un catalyseur de réduction pour le traitement des oxydes d'azote. Le collecteur d'échappement référencé 2 présente quatre tubulures, respectivement 2a, 2b, 2c, 2d, aptes à assurer l'évacuation des gaz brûlés en provenance de chacun des cylindres du moteur. Les tubulures 2a, 2b, 2c, 2d du collecteur d'échappement sont directement fixées à la culasse du moteur en regard des orifices d'échappement correspondants par l'intermédiaire d'une bride de fixation 21. Ces tubulures 2a, 2b, 2c, 2d sont, selon l'exemple de réalisation figuré, agencées pour former un collecteur du type 3 Y ; deux de ceux-ci sont formés par le couplage des tubulures 2a, 2b et 2c, 2d ; les bras du troisième réunissent les corps des précédents pour permettre le raccordement général en un conduit tubulaire unique. Le flux de gaz brûlés traversant le collecteur d'échappement 2 est ensuite dirigé à travers un pot catalytique 6 pour la conversion catalytique des gaz brûlés et notamment la réduction des oxydes d'azote NOx, par l'intermédiaire d'un conduit de liaison 3. Le pot catalytique 6 comprend de façon connue en elle-même une enveloppe cylindrique oblongue de section circulaire ou elliptique, cette enveloppe étant délimitée par des extrémités d'entrée et de sortie tronconiques de types respectivement divergente et convergente. L'enveloppe définit classiquement une cavité centrale où est logée un ou plusieurs réacteurs permettant d'opérer la conversion catalytique des gaz brillés. Chaque réacteur se présente sous la forme d'un monolithe encore connu sous l'appellation corps à nid d'abeilles, qui est constitué traditionnellement par un bloc cylindrique de section circulaire ou elliptique correspondant sensiblement à celle de la cavité centrale de l'enveloppe du pot catalytique, à l'intérieur duquel est ménagé un grand nombre de canaux dont les parois sont revêtues de catalyseur et à travers lesquels circulent les gaz brillées. Afin d'apporter aux gaz brûlés les agents réducteurs indispensables à une destruction stable des oxydes d'azote NOx, le dispositif d'échappement est équipé de moyens d'alimentation en hydrocarbure HC, comprenant un injecteur de carburant 5 (en l'occurrence du gazole) permettant d'injecté le carburant dans le conduit de liaison 3 en amont donc du pot catalytique 6. Suivant la technologie de l'injecteur 5 retenu et notamment suivant sa tenue en température, on pourra soit faire déboucher l'injecteur directement dans le conduit de liaison, conformément aux modes de réalisation représentés sur les figures 1 et 2, ou bien encore monter ce dernier en retrait du conduit de liaison 3, par exemple en disposant ce dernier à l'extrémité d'une réhausse 35 comme cela est représenté sur la figure 3. Cet injecteur 5 de type électromécanique est piloté par un système électronique de commande non figuré qui contrôle suivant les conditions de fonctionnement du moteur la quantité de carburant injectée. Les choix de l'injecteur 5 et du montage de ce dernier sur le conduit de liaison 3 (direction et ouverture du ou des jets de carburant) sont bien entendu adaptés en fonction des caractéristiques du moteur considéré pour favoriser la meilleure vaporisation du carburant possible. Ces seules dispositions s'avèrent toutefois insuffisantes pour vaporiser rapidement le carburant injecté. En effet, pour des raisons de rapidité d'amorçage, le pot catalytique doit être disposé le plus pres possible de la culasse, ce qui réduit considérablement le temps de transfert du carburant et donc sa vaporisation, notamment lors des phases de fonctionnement à froid. Aussi conformément à l'invention, le conduit de liaison 3 où est disposé l'injecteur comporte des moyens de rétention du carburant liquide injecté par l'injecteur 5. Ces moyens de rétention du carburant liquide, en augmentant la durée d'exposition thermique de celui-ci au contact des gaz brûlés traversant le conduit de liaison 3, favorisent donc leur vaporisation en agents réducteurs HC, tout en évitant l'encrassement du catalyseur. Les moyens de rétention du carburant liquide injecté sont constitués de préférence par des éléments de filtre présentant une importante surface de contact sur laquelle vient se déposer les gouttelettes de carburant tout en permettant le libre passage des gaz brillées. Conformément à la figure 1, cet élément de filtre peut être constitué par un monolithe 4, non imprégné de catalyseur, s'étendant à travers toute la section du conduit de liaison 3 en aval de l'injecteur 5. Conformément à la figure 2, cet élément de filtre peut être constitué par une couche de matériau poreux 24, par exemple céramique ou encore filtre fritté, cette couche 24 étant portée par la paroi intérieure du conduit de liaison s'étendant en regard du jet de carburant de l'injecteur 5. Cette solution permet de réduire la perte de charge générée dans le conduit de liaison 3. En variante de réalisation, il est possible de d'opérer, comme cela est représenté sur la figure 3, l'injection du carburant directement à travers un élément de filtre constitué par une couche de matériau poreux, par exemple céramique ou encore filtre fritté, cette couche étant conformée en un bloc 34 de forme adaptée s'étendant en saillie à l'intérieur du conduit de liaison 3. 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, il est possible à in d'injecter le carburant au niveau du collecteur d'échappement 2, les moyens de rétention du carburant pouvant alors être logés dans le collecteur 2 ou encore dans le conduit de liaison 3 s'il s'agit d'utiliser un monolithe non imprégné 6. De même, il est également possible d'injecter le carburant au niveau de l'extrémité d'entrée du pot catalytique 6, les moyens de rétention du carburant étant alors logés dans le pot catalytique 6. REVENDICATION8 El) Dispositif d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant un collecteur (2) destiné à être fixé à la culasse du moteur, un pot catalytique (6) comportant un catalyseur à réduction et, s'étendant entre ledit collecteur et ledit pot catalytique, un conduit de liaison (3) coopérant avec des moyens d'injection de carburant (5) pilotés par des moyens de commande suivant les conditions de fonctionnement du moteur, caractérisé en ce que ledit conduit de liaison comporte des moyens de rétention (4,24,34) du carburant liquide injecté par lesdits moyens d'injection de carburant (5), lesdits moyens de rétention (4,24,34) du carburant liquide injecté étant destinés à favoriser la vaporisation de ce dernier au contact des gaz brillés traversant ledit conduit de liaison (3). t-2] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de rétention du carburant liquide injecté par lesdits moyens d'injection de carburant (5) sont constitués par des éléments de filtre (4,24,34) aptes à retenir le carburant liquide tout en permettant le libre passage des gaz brillés. t3] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de filtre est constitué par un monolithe (4) s'étendant à travers toute la section du conduit de liaison (3) en aval des moyens d'injection de carburant (5). (4) Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de filtre est constitué par une couche de matériau poreux portée par la paroi intérieure du conduit de liaison (3) s'étendant en regard des moyens d'injection de carburant (5). (5) Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de filtre est constitué par une couche de matériau poreux (34) recouvrant l'orifice d'injection du carburant débouchant dans ledit conduit de liaison (3).