Brevet FR2723615A1 — publié le 19960216

L'invention a pour objet un procédé de refroidissement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne muni d'un collecteur d'échappement du type à deux parois séparées par une lame d'air isolante et de moyens de traitement catalytique disposés en aval du collecteur. Elle a également pour objet un dispositif destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. Pour augmenter l'efficacité du traitement catalytique des gaz d'échappement, il est nécessaire d'accélérer la vitesse de montée en température des catalyseurs après un démarrage à froid du moteur, Dans ce but il est important de réduire les inerties thermiques du collecteur d'échappement et des conduits situés entre le collecteur et le pot catalytique. A cet effet, il est connu d'utiliser des dispositifs à double paroi . une paroi interne d'épaisseur aussi faible que possible assurant l'étanchéité aux gaz d'échappement et une paroi externe d'épaisseur plus importante assurant la tenue mécanique du collecteur. Les deux parois sont séparées par une lame d'air. Du fait de l'effet d'isolation de cette lame d'air, la paroi extérieure s'échauffe moins, et avec un certain délai, que la paroi interne. Un autre procédé connu consiste à injecter de l'air à l'échappement le plus prés possible des soupapes d'échappement. Cet air permet la combustion de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés présents à l'échappement. La chaleur dégagée par cette combustion contribue à accélérer l'échauffement des gaz d'échappement après le démarrage du moteur. La combinaison de ces deux méthodes est donc très utile pour améliorer la dépollution pendant les périodes de mise en action du moteur. Toutefois le collecteur à double paroi présente un inconvénient important. Par sa structure isolante, il empêche les gaz d'échappement de se refroidir. Les températures maximales des gaz à sa sortie sont donc plus élevées que dans le cas d'un collecteur conventionnel. II en est de même au niveau du catalyseur situé en aval sur la ligne d'échappement. Or, on sait que pour garder leur efficacité dans le temps, les catalyseurs ne doivent pas travailler à des températures maximales excédant certaines limites. Pour éviter cet inconvénient, ie procédé selon l'invention se caractérise en ce que l'on injecte de l'air de post-combustion à la sortie des soupapes d'échappement pendant les phases de mise en action du moteur et que l'on injecte de l'air de refroidissement entre les deux parois du collecteur pendant les phases de fonctionnement à puissance élevée du moteur. Selon une autre caractéristique importante, ce procédé se caractérise en ce que l'air injecté pour la post-combustion et l'air injecté pour le refroidissement des gaz d'échappement sont fournis par des moyens commandés par le calculateur de contrôle moteur. Un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte une pompe à air unique et des moyens commandés par le calculateur de contrôle moteur pour relier la sortie de la pompe à air soit à un circuit d'injection d'air de postcombustion, soit à un circuit de refroidissement du collecteur d'échappement à double paroi. Selon une autre caractéristique importante de ce dispositif, le circuit d'air de post-combustion comporte une électrovanne de coupure pilotée par le calculateur et un clapet anti-retour disposé en aval de l'électrovanne. Selon une autre caractéristique importante de ce dispositif, le circuit de refroidissement du collecteur comporte une électrovanne de coupure pilotée par le calculateur. II est alors avantageux que le calculateur commande la fermeture de l'électrovanne du circuit de refroidissement et l'ouverture de l'électrovanne du circuit de post-combustion pendant les phases de mise en action du moteur et l'inverse pendant les phases de fonctionnement à puissance moteur élevée. Enfin, la paroi externe du collecteur d'échappement peut comporter un embout de raccordement du circuit de refroidissement situé à proximité de la bride de sortie et des trous d'évacuation de l'air permettant d'optimiser la circulation de l'air de refroidissement du collecteur d'échappement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique du dessin annexé qui représente schématiquement un dispositif selon l'invention équipant un moteur à 4 cylindres en ligne vu en coupe au niveau des coupelles et du collecteur d'échappement. Le collecteur ou tubulure d'échappement 1 comporte une paroi interne 2 et une paroi externe 3 séparées par une lame d'air 4. La paroi interne 2 a une épaisseur aussi faible que possible pour minimiser son inertie thermique et elle assure l'étanchéité aux gaz d'échappement. La paroi externe 3 a une épaisseur plus importante et son rôle principal est d'assurer la tenue mécanique du collecteur 1. Les parois 2 et 3 sont reliées entre elles au niveau des quatre brides, telles que la bride 5, de fixation à la culasse 6 et de la bride 7 reliant le collecteur 1 à la ligne d'échappement qui comporte un dispositif de traitement catalytique habituel (non représenté). A proximité de la bride de sortie 7, la paroi externe 3 comporte un embout 8 destiné au raccordement d'un conduit 9 relié à son autre extrémité à la sortie 12 d'une pompe à air 11. Une électrovanne de coupure 10 est interposée sur le conduit 9. La paroi externe 3 est munie d'orifices d'évacuation de l'air de refroidissement tels que 13, 14 et 15. L'évacuation de l'air pourrait également se faire via un orifice unique ou un tube amenant l'air chaud dans une zone où il ne gêne pas. Suivant les cas et les problèmes de tenue du collecteur, la circulation de l'air de refroidissement pourra se faire à contre-courant (comme représenté au dessin) ou à courants de mêmes sens. Dans chacune des chapelles d'échappement 16 débouche un conduit 17. Les quatre conduits 17 sont reliés par un tube 18, muni d'un clapet anti-retour 19, à la sortie 12 de la pompe 11. Une électrovanne de coupure 20 est interposée entre la sortie 12 de la pompe 11 et le clapet 19 en aval du raccordement du conduit 9. La pompe à air 11 peut être actionnée par un moteur électrique commandé par le calculateur de contrôle moteur 21 qui reçoit les Informations concernant la température et la vitesse du moteur respectivement de capteurs 22 et 23. En variante, la pompe à air 11 pourrait être entraînée mécaniquement par le moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'un embrayage électromagnétique commandé par le calculateur 21. Le calculateur 21 détermine, à partir des informations qu'il reçoit, les phases de mise en action pendant lesquelles on cherche à accélérer l'échauffement du catalyseur et donc des gaz d'échappement et les phases de fonctionnement à puissance moteur élevée pendant lesquelles on cherche au contraire à refroidir l'échappement pour protéger le catalyseur. Lors des phases de mise en action du moteur, le calculateur 21 commande simultanément le fonctionnement de la pompe 11, I'ouverture de l'électrovanne 20 et la fermeture de l'électrovanne 10. L'air provenant de la pompe est donc introduit dans les chapelles d'échappement 16 par les conduits 17, mais l'air de refroidissement ne circule par autour de la paroi 2 du collecteur 1 puisque la vanne 10 est fermée. L'effet combiné de la post-combustion de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés et de la faible inertie thermique de la paroi 2 accélère la montée en température au niveau de la sortie 7 et donc du catalyseur. Lorsque la température normale de fonctionnement est atteinte à la fin de la phase de mise en action, le calculateur 21 commande l'arrêt de la pompe 11. Pendant les phases de fonctionnement à puissance moteur élevée, le calculateur 21 commande la fermeture de 'électrovanne 20, I'ouverture de l'électrovanne 10 et le fonctionnement de la pompe 11. L'air de la pompe 11 circule alors dans l'espace compris entre les parois 2 et 3 et est évacué par les orifices 13,14 et 15 dont les diamètres et les positions sont choisis pour obtenir une bonne répartition de l'air de refroidissement circulant à contre-courant des gaz d'échappement. REVENDICATIONS 1- Procédé de refroidissement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne muni d'un collecteur d'échappement (1) du type à deux parois (2,3) séparées par une lame d'air isolante (4) et de moyens de traitement catalytique disposés en aval du collecteur, caractérisé en ce que l'on injecte de l'air de post-combustion à la sortie (16) des soupapes d'échappement pendant les phases de mise en action du moteur et que l'on injecte de l'air de refroidissement entre les deux parois (2,3) du collecteur pendant les phases de fonctionnement à puissance élevée du moteur. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air injecté pour la post-combustion et l'air injecté pour le refroidissement des gaz d'échappement sont fournis par des moyens (11,10,20) commandés par le calculateur (21) de contrôle moteur. 3- Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe à air unique (11) et des moyens commandés (10,20) par le calculateur de contrôle moteur (21) pour relier la sortie de la pompe à air (11) soit à un circuit d'injection d'air de post-combustion (18), soit à un circuit de refroidissement (9) du collecteur d'échappement à double paroi. 4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit d'air de post-combustion (18) comporte une électrovanne de coupure (20) pilotée par le calculateur (21) et un clapet anti-retour (19) disposé en aval de l'électrovanne (20). 5- Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (9) du collecteur comporte une électrovanne de coupure (10) pilotée par le calculateur(21). 6- Dispositif selon la revendication 5 prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que le calculateur (21) commande la fermeture de l'électrovanne (10) du circuit de refroidissement et l'ouverture de 'électrovanne (20) du circuit de post-combustion (18) pendant les phases de mise en action du moteur. 7- Dispositif selon la revendication 5 prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que le calculateur (21) commande la fermeture de l'électrovanne (20) du circuit de post-combustion et l'ouverture de l'électrovanne (10) du circuit de refroidissement pendant les phases de fonctionnement à puissance moteur élevee. 8- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la paroi externe (3) du collecteur d'échappement (1) comporte un embout (8) de raccordement du circuit de refroidissement situé à proximité de la bride de sortie (7) et des trous d'évacuation de l'air (13,14,15) permettant d'optimiser la circulation de l'air de refroidissement du collecteur d'échappement. 9- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la pompe à air (11) est actionnée par un moteur électrique commandé par le calculateur (21) de contrôle moteur.