Brevet FR2769666A1 — publié le 19990416

Installation d'échappement pour moteur de véhicule automobile La présente invention concerne une installation d'échappement de gaz brûlés à pot catalytique pour moteur à combustion interne de véhicule automobile. On sait que les pots d'échappement de gaz brûlés sont de plus en plus souvent du type dit "pot catalytique". Ces pots catalytiques ont pour fonction de réduire la quantité de gaz polluants émis par les moteurs à combustion interne. Les pots catalytiques contiennent un matériau de support, généralement de l'alumine, sur lequel sont déposés les métaux nobles qui leur permettent de remplir leur fonction. Pour que cette fonction soit assurée convenablement, il est nécessaire que la température de fonctionnement du pot catalytique soit suffisamment élevée. Les constructeurs d'automobiles ont donc tendance à rapprocher le plus possible le pot catalytique du collecteur d'échappement afin que la montée en température de ce pot catalytique soit la plus rapide possible lors du démarrage du moteur à froid. A l'inverse, des températures de fonctionnement trop élevées réduisent la durée de vie d'un pot catalytique par transfor- mation irréversible du matériau de support. De telles températures sont également dommageables pour l'ensemble de la ligne d'échappement et nécessitent l'emploi de matériaux plus résistants et donc plus coûteux pour chaque composant de cette ligne (silencieux, conduits,...). Or, de telles températures risquent d'être atteintes lorsque le moteur est en charge élevée, par exemple sur autoroute. Par ailleurs, l'amélioration du rendement thermique des moteurs à combustion interne, notamment des moteurs diesel ou essence à injection directe, entraîne une réduction des pertes thermiques vers le circuit de refroidissement. Or, c'est sur ce circuit de refroidissement qu'est prélevée la chaleur nécessaire au chauffage de l'habitacle. Cette amélioration du rendement peut ainsi provoquer une insuffi- sance du chauffage. Enfin, la nécessité de réduire les émissions polluantes du moteur thermique conduit à utiliser de nouveaux types de catalyseurs, dont une spécificité est de fonctionner dans une plage étroite de températures. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. Plus précisément, elle vise notamment à limiter ou réguler la température des gaz à l'entrée du pot catalytique tout en permettant une montée rapide en température de ce dernier. L'invention vise également à améliorer le chauffage de l'habitacle du véhicule et le taux de conversion des cataly- seurs. A cet effet, l'invention a pour objet une installation d'échappement de gaz brûlés à pot catalytique pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un échangeur de chaleur, des moyens de sélection pour sélectivement diriger lesdits gaz brûlés en totalité ou en partie dans ledit échangeur en vue de leur refroidissement, et des moyens pour utiliser la chaleur du fluide de refroidissement dudit échangeur en vue du chauffage de l'habitacle du véhicule. L'invention permet donc en premier lieu de réduire la température des gaz d'échappement en entrée du pot catalyti- que puisque l'on peut, préalablement à cette entrée, leur faire parcourir l'échangeur de chaleur en vue de leur refroidissement. Cet échangeur n'est pas toutefois pénalisant pour la montée en température du pot catalytique puisque les moyens de sélection permettent d'amener les gaz à ne pas traverser cet échangeur tant qu'ils n'ont pas atteint une température suffisante. Par ailleurs, la chaleur ainsi prélevée aux gaz d'échappement peut être utilisée au chauf- fage de l'habitacle du véhicule. A cet effet, l'échangeur de chaleur est de préférence parcouru par le fluide de refroi- dissement du moteur puisque c'est la chaleur de ce fluide qui est déjà utilisée pour le chauffage de l'habitacle. Enfin l'invention permet de réguler la température des gaz brûlés à l'entrée du pot catalytique en faisant circuler une certaine quantité de gaz brûlés dans l'échangeur. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, l'échan- geur est disposé en amont du pot catalytique dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une canalisation étant prévue pour court-circuiter l'échangeur et les moyens de sélection comprenant au moins une vanne en amont de l'échangeur pour sélectivement diriger les gaz brûlés en totalité ou en partie dans ledit échangeur ou dans ladite canalisation. La vanne utilisée peut comporter une entrée et une sortie ou, en variante, une entrée et deux sorties. Dans cette variante, l'une ou l'autre des deux sorties peut être alimentée par l'entrée, ou bien les deux sorties peuvent être alimentées simultanément par ladite entrée. Dans ce cas, les moyens de sélection peuvent en outre comprendre une deuxième vanne entre l'échangeur et le pot catalytique au point o débouche la canalisation. Cette deuxième vanne permet de relier l'entrée du pot catalytique soit à la sortie de l'échangeur, soit à la canalisation de dérivation. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'échangeur est disposé en aval du pot catalytique dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une canalisation étant prévue pour court-circuiter l'échangeur et les moyens de sélection comprenant au moins une vanne entre le pot catalytique et l'échangeur pour sélectivement diriger les gaz brûlés en totalité ou en partie dans ledit échangeur ou dans ladite canalisation. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'installation selon l'invention peut également comprendre une deuxième canalisa- tion pour court-circuiter le pot catalytique, les moyens de sélection comprenant au moins une vanne pour sélectivement diriger les gaz brûlés en totalité ou en partie dans le pot catalytique ou dans ladite deuxième canalisation, une troisième canalisation étant prévue pour ramener les gaz brûlés de la sortie de l'échangeur à l'entrée du pot cataly- tique. Egalement, dans le deuxième mode de réalisation, l'installa- tion selon l'invention peut en variante comprendre une boucle de refroidissement en amont du pot catalytique, les moyens de sélection comprenant alors une vanne pour sélectivement diriger les gaz brûlés en totalité ou en partie dans ladite boucle ou directement dans le pot catalytique. Par conséquent, alors que dans le premier mode de réalisation l'échangeur est disposé en amont du pot catalytique, il se trouve en aval dans le second mode de réalisation. Dans le premier mode par conséquent, l'échangeur est parcouru par les gaz brûlés directement issus du collecteur d'échappement. Il bénéficie donc d'une température de fonctionnement élevée. La priorité est donc mise ici au chauffage de l'habitacle. Au contraire, dans le second mode de réalisation, la priorité est donnée à la dépollution. En effet, en fonctionnement normal, l'échangeur est en aval du pot catalytique. Le pot catalytique fonctionne donc à température plus élevée, donc dans des conditions plus efficaces, mais les gaz brûlés commencent à se refroidir dans le pot. Leur température est donc plus faible lorsqu'ils entrent dans l'échangeur qui récupère ainsi moins de chaleur. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, des modes de réalisation particuliers de l'invention, en réfé- rence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: - les figures la à lc illustrent un premier mode de réalisa- tion de l'invention dans trois configurations de fonctionne- ment différentes; - les figures 2a à 2c illustrent une variante de ce premier mode de réalisation de l'invention dans les trois configura- tions de fonctionnement précitées; - les figures 3a et 3b illustrent un deuxième mode de réalisation dans deux configurations de fonctionnement différentes; et - les figures 4a et 4b sont des vues similaires aux figures 3a et 3b d'un troisième mode de réalisation. L'installation représentée aux figures 1 est disposée entre un conduit 1 provenant du collecteur d'échappement du moteur et un conduit 2 de rejet des gaz brûlés à l'air libre. Un échangeur de chaleur 3 est disposé en amont du pot catalytique 4 dans le sens de l'écoulement des gaz brûlés, c'est-à-dire dans le sens allant du conduit 1 au conduit 2. Une canalisation 5 reliant l'amont à l'aval de l'échangeur 3 permet de le court-circuiter. A cet effet, un moyen de sélection, tel qu'une vanne à trois voies 6 est disposée à l'entrée de l'échangeur 3 pour diriger sélectivement les gaz provenant du conduit 1 soit vers l'échangeur 3 soit vers la canalisation 5. Enfin, des canalisations 7 assurent l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement dans l'échangeur 3. Les canalisa- tions 7 peuvent être reliées par tout moyen convenable au circuit de refroidissement du moteur. La configuration de la figure la est celle qui est adoptée lorsque la température des gaz dans le conduit 1 dépasse la température critique d'utilisation du catalyseur, de l'ordre par exemple de 700 C. Dans ce cas, la vanne à trois voies 6 est disposée de telle sorte que les gaz brûlés parcourent l'échangeur 3 avant de pénétrer dans le pot catalytique 4 quel que soit l'état de la commande du chauffage. Les figures lb et lc correspondent au cas o la température des gaz est inférieure à la température critique d'utilisati- on du catalyseur. Dans ce cas, la position de la vanne 6 dépend de la commande du chauffage. Si le chauffage n'est pas actionné, comme montré à la figure lb, la vanne 6 est placée de telle sorte que les gaz prove- nant du conduit 1 soient directement dirigés à l'entrée du pot catalytique 4 par l'intermédiaire de la canalisation 5. L'échangeur 3 n'est alors pas utilisé. Au contraire, à la figure lc, le chauffage est actionné. Dans ce cas, on refroidit les gaz brûlés dans l'échangeur 3 bien que ceci ne soit pas nécessaire au fonctionnement du pot catalytique. La vanne 6 est alors disposée de telle sorte que les gaz provenant du conduit 1 soient dirigés à travers l'échangeur 3 avant de pénétrer dans le pot catalytique 4. On comprend que la priorité est donnée au chauffage puisqu'en abaissant la température des gaz en-dessous de la température critique, on amène le pot catalytique à fonctionner avec une moins grande efficacité. Dans une variante du mode de réalisation des figures 1, on prévoit une deuxième vanne à trois voies à la jonction de la canalisation 5 et du conduit 8 entre la sortie de l'échangeur 3 et l'entrée du pot catalytique 4. Cette deuxième vanne est commandée simultanément à la vanne 6 pour relier l'entrée du pot catalytique 4 soit à la sortie de l'échangeur 3 dans la configuration correspondant à celle des figures la et lc, soit à la canalisation 5 dans la configuration correspondant à celle de la figure lb. Cette deuxième vanne permet ainsi d'isoler totalement l'échangeur 3 lorsqu'il n'est pas utilisé. Les figures 2a à 2c représentent une autre variante du mode de réalisation des figures la à lc, qui diffère de cette dernière par la structure de la vanne 6. En effet, dans le cas des figures la à lc, la vanne 6, ou plus exactement la partie mobile de celle-ci, comprend une seule entrée et une seule sortie. Par contre dans le cas des figures 2a à 2c, sont prévues une entrée et deux sorties. Des moyens permet- tent à l'entrée d'alimenter soit l'une ou l'autre des deux sorties, soit les deux simultanément. Autrement dit, la vanne permet de diriger les gaz brûlés dans l'une ou l'autre de deux directions ou bien dans les deux à la fois. Dans les configurations des figures 2a et 2b, la vanne est opératoire pour envoyer les gaz brûlés dans une seule direc- tion, si bien que l'on retrouve respectivement les configu- rations des figures la et lb décrites plus haut. Par contre dans la configuration de la figure 2c, la vanne est opéra- toire pour envoyer les gaz brûlés simultanément dans deux directions, à savoir vers l'échangeur 3 et la canalisation 5. Ainsi, la vanne des figures 2a à 2b permet de diriger le flux des gaz brûlés en partie ou en totalité dans l'échangeur. Les figures 3a et 3b représentent un cas o le pot catalyti- que 11 se trouve en amont de l'échangeur 12 dans le sens normal d'écoulement des gaz brûlés, allant du conduit d'entrée 13 relié au collecteur d'échappement au conduit 14 de mise à l'air libre des gaz brûlés. On trouve dans ce cas, successivement, une première vanne à quatre voies 15 en amont du pot catalytique 11, une deuxième vanne à quatre voies 16 entre la sortie du pot catalytique 11 et l'entrée dans l'échangeur 12 et une vanne à trois voies 17 en aval de l'échangeur de chaleur 12. Une canalisation 18 est disposée entre la vanne 16 et le conduit 14 pour permettre de court-circuiter l'échangeur 12. Une deuxième canalisation 19 est disposée entre la vanne 15 et la vanne 16 pour court-circuiter le pot catalytique 11. Enfin, une troisième canalisation 20 est disposée entre la vanne 15 et la vanne 17 pour ramener à l'entrée du pot catalytique 11 les gaz sortant de l'échangeur de chaleur 12. Lorsque la température des gaz dans le conduit 13 est inférieure à la température critique d'utilisation du catalyseur, les vannes 15, 16 et 17 sont disposées comme représenté à la figure 3a. Les gaz s'écoulent alors successi- vement dans le pot catalytique 11 et dans l'échangeur de chaleur 12. Ainsi, l'échangeur ne retarde pas la montée en température du catalyseur et prélève de la chaleur pour le chauffage de l'habitacle. Au contraire, si la température des gaz dans le conduit 13 vient à dépasser la température critique d'utilisation du catalyseur, les vannes sont disposées comme représenté à la figure 3b. Le pot catalytique 11 est tout d'abord court- circuité par la canalisation 19 pour conduire les gaz trop chauds vers l'échangeur de chaleur 12. En sortie de l'échangeur 12, les gaz partiellement refroidis sont ramenés par la canalisation 20 à l'entrée du pot catalytique 11. Enfin, à la sortie du pot 11, ils sont dirigés par la vanne 16 vers la canalisation 18 de court-circuit de l'échangeur 12 puis vers le conduit 14 de mise à l'air libre. On observera que les vannes à quatre voies 15 et 16 pour- raient en variante être remplacées par des vannes à trois voies. La canalisation 20 se raccorderait alors sur la ligne principale entre la sortie de la vanne 15 et l'entrée dans le pot catalytique 11. De même, la canalisation 19 se raccorde- rait sur la ligne principale entre la sortie de la vanne 16 et l'entrée dans l'échangeur de chaleur 12. Enfin, dans la variante des figures 4a et 4b, le pot cataly- tique 11 est encore disposé en amont de l'échangeur de chaleur 12 entre les conduits 13 et 14. Dans ce cas, toute- fois, l'échangeur 12 ne sert qu'à la récupération de chaleur pour le chauffage de l'habitacle. Le refroidissement des gaz en entrée du pot catalytique 11 est ici assuré par une boucle de refroidissement 31 en amont du pot catalytique 11. Une première vanne à trois voies 32 permet de diriger les gaz provenant du conduit 13 soit directement à l'entrée du pot catalytique 11, soit dans la boucle de refroidissement 31 raccordée elle-même à la ligne principale à l'entrée du pot catalytique 11. Une deuxième vanne à trois voies 33 permet de diriger les gaz de sortie du pot catalytique 11 soit vers l'échangeur de chaleur 12, soit dans une canalisation 34 court-circuitant cet échangeur 12 vers le conduit 14. Lorsque la température des gaz dans le conduit 13 est inférieure à la température critique d'utilisation du catalyseur, la vanne 32 est disposée comme représentée à la figure 3a pour conduire ces gaz directement à l'entrée du pot catalytique 11. A la sortie du pot catalytique, ces gaz sont dirigés par la vanne 33 à travers l'échangeur de chaleur 12. Dans le cas o la température des gaz dans le conduit 13 est supérieure à la température critique d'utilisation du catalyseur, la vanne 32 est disposée comme représenté à la figure 4b pour diriger ces gaz vers la boucle de refroidisse- ment 31. En sortie du pot catalytique 11, la vanne 33 dirige les gaz dans la canalisation 34 de dérivation de l'échangeur de chaleur 12. On observera que la boucle de refroidissement 31 peut être constituée par un échangeur gaz-air ou un échangeur gaz-eau. Il est à noter que dans la description qui précède, il est fait référence à des vannes, mais il peut être envisagé que ces vannes soient remplacées par tout autre moyen de sélec- tion. Revendications 1 - Installation d'échappement de gaz brûlés à pot catalyti- que (4; 11) pour moteur à combustion interne de véhicules automobiles, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un échangeur de chaleur (3; 12), des moyens de sélection (6; 15-17; 32,33) pour sélectivement diriger lesdits gaz brûlés en totalité ou en partie dans ledit échangeur en vue de leur refroidissement, et des moyens (7) pour utiliser la chaleur du fluide de refroidissement dudit échangeur en vue du chauffage de l'habitacle du véhicule. 2 - Installation selon la revendication 1, dans laquelle ledit échangeur (3) est disposé en amont du pot catalytique (4) dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une canalisa- tion (5) étant prévue pour court-circuiter l'échangeur et les moyens de sélection comprenant au moins une vanne (6) en amont de l'échangeur pour sélectivement diriger les gaz brûlés en totalité ou en partie dans ledit échangeur ou dans ladite canalisation. 3 - Installation selon la revendication 2, dans laquelle lesdits moyens de sélection comprennent une deuxième vanne entre l'échangeur et le pot catalytique au point o débouche ladite canalisation. 4 - Installation selon la revendication 1, dans laquelle ledit échangeur (12) est disposé en aval du pot catalytique (11) dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une canalisa- tion (18; 34) étant prévue pour court-circuiter l'échangeur et les moyens de sélection comprenant au moins une vanne (16- 33) en amont de l'échangeur pour sélectivement diriger les gaz brûlés en totalité ou en partie dans ledit échangeur ou dans ladite canalisation. - Installation selon la revendication 4, comprenant une deuxième canalisation (19) pour court-circuiter le pot catalytique, les moyens de sélection comprenant au moins une i1 vanne (15) pour sélectivement diriger les gaz brûlés en totalité ou en partie dans le pot catalytique (11) ou dans ladite deuxième canalisation (19), une troisième canalisation (20) étant prévue pour ramener les gaz brûlés de la sortie de l'échangeur (12) à l'entrée du pot catalytique (11). 6 - Installation selon la revendication 4, comprenant une boucle de refroidissement (31) en amont du pot catalytique (11), les moyens de sélection comprenant une vanne (32) pour sélectivement diriger les gaz brûlés en totalité ou en partie dans ladite boucle ou directement dans le pot cataly- tique.