Brevet FR2801342A1 — publié le 20010525

L'invention concerne un dispositif de refroidissement réglable gaz d'échappement du moteur d'un véhicule automobile, à deux niveaux re froidissement, intercalé sur le trajet des gaz d'échappement dans une ligne d'échappement du véhicule. Les lignes d'échappement des véhicules automobiles peuvent com porter des dispositifs de traitement des gaz tels que des systèmes de dé pollution dans lesquels on élimine certains polluants tels que les oxydes d'azote (NOx) contenus dans les gaz d'échappement provenant du moteur du véhicule. Le traitement des gaz d'échappement pour éliminer les polluants con siste à faire passer les gaz d'échappement, dans un dispositif de traitement, au contact d'un élément actif composé d'un mélange de différents métaux choisis pour leur aptitude à catalyser des réactions de transformation des polluants ou à adsorber les polluants. L'élément actif est déposé sous la forme d'une couche d'imprégnation sur un support céramique poreux fixé à l'intérieur d'une enveloppe en tôle métallique du dispositif de dépollution. Le support céramique poreux est lui-même recouvert d'une couche à base d'alumi poreuse appelée "wash-coat" destinée à augmenter considéra blement I surface de contact entre les gaz et les éléments actifs qui sont déposés le wash-coat. L'élément actif du système de dépollution et le wash-coat peuvent résister au-delà d'une certaine température gaz d'échappement et subissent, lorsqu'ils sont en contact avec gaz d'échappement à une température excessive, des détériorations irréversi bles; de sorte qu'ils ne sont plus en mesure d'assurer leur fonction dé pollution. Par exemple, dans le cas des systèmes de dépollution desti " à élimi les oxydes d'azote dans les gaz d'échappement des moteurs à - sence ' injection directe, ces systèmes de dépollution étant généralement appelés ' ïèges à NOx", la température limite que peuvent supporter les éléments piège à NOx en contact avec les gaz d'échappement est de l'ordre de 850 C à l'heure actuelle. Les à la sortie d'un moteur à essence à injection directe attei gnent une température de 950 à 1000 C, dans les phases de ine charge du moteur. Dans cas, pour maintenir la température des gaz à tempéra ture au plus " le à 850 C, pour un moteur à essence à injecti directe de deux litres de cylindrée, il faut évacuer une puissance de l'ordre de 15 k1N. II est donc nécessaire de concevoir une ligne d'échappement comportant un dispositif de refroidissement qui permette d'évacuer cette énergie avant que les gaz d'échappement ne pénètrent dans le piège à NOx. En outre, toujours dans le cas d'un piège à NOx, l'efficacité maximale quant à l'élimination des polluants est obtenue dans une plage de tempéra tures comprise entre 300 et 500 environ, du fait des réactions chimiques mises en ceuvre. II est donc nécessaire de maintenir les gaz arrivant dans le piège à le plus possible dans cette plage de températures. Cette exigence doit être respectée en particulier dans conditions de fonctionnement du cycle réglementaire de dépollution. le cycle ré glementai dépollution, les gaz évoluent, de manière classique, dans une plage températures allant de 350 C à 700 C environ. Pour rester dans la plage d'efficacité du piège à NOx, dans le cas du cycle réglementaire de dépollution, pour un moteur tel que défini plus haut, on ne doit évacuer que des puissances thermiques de l'ordre de 2 kW. En conséquence, dans le cas du fonctionnement à pleine charge du moteur, il nécessaire d'évacuer au moins 15 kW de puissance thermique alors que, dans les conditions de fonctionnement du cycle réglementaire de dépolluti on ne doit pas évacuer plus de 2 kW. De manière générale, dans le cas de nombreux systèmes de dépollu tion, il est nécessaire, pour des considérations de tenue à température des éléments système de dépollution, d'éviter que celui-ci reçoive des gaz d'échappement à trop haute température. II est " lement nécessaire, pour dépolluer efficacement les gaz d'échappement, que les gaz d'échappement qui traversent le système de dépollution aient une température située dans un intervalle bien déterminé. Ces deux conditions, qui définissent la position des éléments de pollution sur la ligne d'échappement, sont souvent incompatibles. II est alors nécessaire, pour remplir les deux conditions relatives à I température des gaz d'échappement dans le système de dépollution, conditions pouvant être incompatibles, de prévoir un dispositif de refroi is- sement des gaz d'échappement qui puisse fonctionner de manière sél ive dans une première et dans une seconde conditions de refroidissement. On a proposé; pour résoudre ce problème, un dispositif de refroidis sement qui comporte un premier et un second tubes de passage des gaz d'échappement dont la paroi externe est en contact avec de l'air de refroidis sement, par exemple de l'air atmosphérique, pendant le fonctionnement du moteur du véhicule. L'un des tubes de grande longueur permet d'évacuer maximum d'énergie alors que le second tube de longueur très réduite permet d'évacuer qu'une quantité très faible d'énergie thermique. Une vanne pilotée permet de faire passer les gaz d'échappement soit dans un tube soit dans l'autre, en fonction de conditions de fonctionnement du moteur ou ligne d'échappement. En réalisant une adaptation des longueurs des deux tubes suivant les conditions de fonctionnement recherchées, on paroi régler la température des gaz d'échappement avant leur entrée dans I système de dépollution, dans toutes les conditions de fonctionnement moteur. Toutefois cette solution peut nécessiter l'utilisation de tubes de très grande longueur qui ne peuvent pas être facilement logés dans le véhicul que ce soit dans le bloc moteur ou dans le sous-plancher. Le but l'invention est donc de proposer un dispositif de refroidis sement de gaz 'échappement du moteur d'un véhicule automobile, intercalé sur le trajet gaz d'échappement dans une ligne d'échappement du véhi cule, comportant une première voie de circulation des gaz d'échappement constituée par au moins un premier conduit en contact par sa paroi externe avec de l'air de refroidissement, une seconde voie de circulation des gaz constituée par au moins un second conduit ayant une paroi externe en con tact avec l'air de refroidissement et des moyens d'aiguillage des gaz d'échappement vers la première ou la seconde voie de circulation, comman- dés en fonction d'un paramètre thermique de fonctionnement de la ligne d'échappement du moteur, ce dispositif de refroidissement réglable pouvant être facilement implanté dans la ligne d'échappement, par exemple dans sous-plancher ou dans le compartiment moteur du véhicule automobile. Dans ce but, les conduits constituant la première et la seconde voies circulation ont des longueurs sensiblement égales dans la direction axiale la ligne d'échappement et des parois latérales d'échange thermique avec I ir de refroidissement ayant des caractéristiques d'échange thermique sen siblement différentes. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire à titre d'exem- pl , en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d' dispositif de refroidissement réglable suivant l'invention. La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une partie d'une ligne d'échappement d'un véhicule automobile comportant un dispositi de refroidissement réglable suivant l'invention. Les figures 2A et 2B sont des vues en perspective du disposi i de refroidissement suivant l'invention dans une phase de fonctionnement à forte perte énergétique et dans une phase de fonctionnement à faible perte éner gétique, respectivement. Sur la figure 1, on a représenté une partie d'une ligne d'échappement d'un véhicule automobile sur laquelle est intercalé un dispositif de refroidis sement suivant l'invention, désigné de manière générale par le repère 1. La ligne d'échappement désignée de manière générale par le repère comporte une partie amont 2' reliée aux tubulures 3 de sortie des gaz d'échappement d'un moteur 4 (représenté de manière conventionnelle sous I forme d'un parallélépipède en traits mixtes). La partie amont 2' de la ligne d'échappement comporte en particulier une première unité de dépollution 5 qui est constituée par un catalyseur ayant une fonction trois voies, c'est-à- dire permettant d'éliminer dans les gaz d'échappement du monoxyde de carbone CO, des hydrocarbures imbrûlés et des oxydes d'azote, le cataly seur étant disposé à l'intérieur d'une enveloppe métallique raccordée à des conduites du premier tronçon 2' de la ligne d'échappement. La partie amont de la ligne d'échappement comporte également un découpleur 6 qui permet 'éviter la transmission de vibrations du moteur 4 à la partie de la ligne 'échappement située en aval du découpleur. La ligne d'échappement comporte une partie aval 2" sur laquelle intercalé un dispositif de dépollution 7 réalisé sous la forme d'un pi' à c'est-à-dire un dispositif de dépollution permettant d'éliminer les des 'azote dans les gaz d'échappement. Le dispositif de refroidissement réglable 1 suivant l'invention comporte collecteur d'entrée 8, un collecteur de sortie 9, et deux tubes 10 et 11 de irculation de gaz sensiblement rectilignes disposés de manière parallèle 'un par rapport à l'autre et reliés, à l'une de leurs extrémités, au collecteur 'entrée 8 et, à leur seconde extrémité, au collecteur de sortie 9. Le collecteur d'entrée 8 comporte un conduit d'entrée relié à la partie amont 2' de la ligne d'échappement en aval du découpleur 6 et deux bran ches comportant des ouvertures de sortie suivant lesquelles sont fixés les tubes 10 et 11. Le collecteur de sortie 9 comporte un conduit de sortie relié à la le aval 2" de la ligne d'échappement en amont du piège à NOx 7 et deux bran ches d'entrée comportant des ouvertures suivant lesquelles sont fixées I secondes extrémités des tubes 10 et 11. De ce fait, le dispositif de refroidissement 1 des gaz d'échappement intercalé entre la partie amont 2' de la ligne d'échappement et la ie 1 2" et placé immédiatement en amont du piège à NOx 7. Les tubes 1 11 assurant le passage des gaz d'échappement entre la partie amont 2' et I ïe aval 2" de la ligne d'échappement sont refroidis dans leur surface terne par l'air atmosphérique, de sorte que les gaz d'échappement subissent certain refroidissement en traversant les tubes 10 et 11 dans la direction iale correspondant à la direction longitudinale de la ligne d'échappement. Les tubes 10 et 11 présentent des longueurs, dans la direction axiale, qui sont sensiblement égales, ces longueurs devant permettre de loger I tubes 10 et 11 sans difficulté sur la ligne d'échappement, par exemple l'intérieur d'un sous-plancher du véhicule automobile. Les tubes 10 et 11 sont cependant différents l'un de l'autre, tout d'abord en ce qui concerne leur diamètre interne d'écoulement des gaz, le diamètre interne du tube 11 étant sensiblement inférieur au diamètre inté rieur tube 10 (voir figures 2A et 2B). outre, les parois des tubes 10 et 11 présentent caractéristi ques d'échange thermique avec l'air de refroidissement extremement diffé rentes. Le tube 10, qui peut être réalisé par exemple en acier aluminié, as sure un très bon échange thermique entre l'air de refroidissement et les gaz d'échappement; de sorte que les gaz d'échappement peuvent etre fortement refroi is, avec un prélèvement d'énergie thermique important, pendant leur traversée du tube 10 dans la direction axiale. En revanche, le tube 11 com porte paroi assurant un faible échange thermique entre l'ai de refroidis sement et les gaz d'échappement. Pour cela, la paroi du tube est réalisée de manière à assurer une certaine isolation thermique des rapport à l'air refroidissement en contact avec la surface externe tube 11. Le tube 1 peut être constitué par exemple sous la forme d'un tube à lame d'air, c'est-à-dire d'un tube dont la paroi délimite une lame d'air d'isol ion entre un élément de paroi interne et un élément de paroi externe. Les caractéristiques d'isolation thermique de la paroi du tube 11 peu vent également être obtenues en isolant la paroi externe du tube 11 de l'air ambiant, par une couche de fibres d'isolation, de préférence des fibres en une matière réfractaire. dispositif de refroidissement 1 comporte une vanne 12 de ferme ture de 'extrémité aval du conduit 10 reliée à l'une des branches d'entrée du collecteur de sortie 9. La vanne 12 est associée à un moteur 13 d'actionne- ment qui permet de placer la soupape de la vanne 12 soit dans une position d'ouverture, soit dans une position de fermeture de l'extrémité conduit 10. moteur 13 de commande de la vanne 12, qui peut etre un moteur électri ou un moteur pneumatique, suivant les possibili d'alimentation du moteur 13 à partir d'une source électrique ou à partir 'une chambre en dépressi et d'une pompe à vide, est commandé par une unité de com mande électronique 14 en fonction d'une mesure de température effectuée par une sonde de température 15' ou 15" qui peut être placée par exemple dans la partie amont 2' de la ligne d'échappement en aval du découpleur 6 ou sur les tubulures d'échappement 3 du moteur. En fonction de l'indication de température de la sonde, l'unité commande commande le moteur 13 dans le sens de l'ouverture ou de I fermeture la vanne 12. Le fonctionnement du dispositif de refroidissement 1 suivant l'inven tion sera décrit en regard des figures 2A et 2B, sur lesquelles on a repré sente; de la même manière que sur la figure 1, les éléments du dispos[ refroidissement et la circulation des gaz d'échappement dans le dispos[ refroidissement, par des flèches. Dans le cas où la température mesurée par la sonde 15' ou 15" est supérieure à une valeur de consigne, par exemple dans le cas d'un fonc tionnement du moteur à haut régime avec une sortie des gaz d'échappe ment à très haute température, le moteur 13 d'actionnement de la vanne est commandé par l'unité de commande 14, dans le sens de l'ouverture la vanne, c'est-à-dire, comme représenté sur la figure 2A, de telle manière que la soupape de la vanne solidaire de la tige de vanne reliée au moteur soit éloigné l'ouverture de sortie du conduit 10 à l'intérieur du collecteur Du fai la différence de la section interne de passage des gaz tubes 10 et 1. gaz d'échappement pénétrant dans le collecteur d'entrée 8 sont répartis entre les tubes 10 et 11 par le collecteur 8. de telle manière que le tube 1 forte perte énergétique soit parcouru par un flux principal 16 de gaz d'échappement et le tube 11 par un flux résiduel 16'. Le flux principal 16 présente débit important alors que le flux 16' présente un débit très faible, le débit du flux 16 n'étant ainsi que très peu inférieur au débit total gaz d'échappement. De ce fait, les gaz d'échappement traversant le disposi tif de refroidissement 1, principalement par l'intermédiaire du tube 10 à forte perte énergétique sont fortement refroidis. Ce mode de fonctionnement présenté sur la figure 2A est maintenu tant que la température des gaz reste au-dessus 'une limite qui peut être par exemple de 850 C; dans le cas d' dispositif refroidissement disposé en amont d'un piège à NOx comme représenté sur la figure 1. Dans cas où la température mesurée par la sonde de température 15' ou 15" inférieure à la valeur de consigne, l'unité de commande 14 transmet au moteur 13 de commande de la vanne 12 un ordre de fermeture de la sortie du conduit 10 à forte perte énergétique. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 2B, les gaz d'échappement pénétrant dans le col lecteur d'entrée 8 pénètrent et circulent dans leur ensemble à l'intérieur tube 11, sous la forme d'un flux 17 correspondant au débit total des d'échappement. La circulation des gaz d'échappement à l'intérieur du tube 11 est réalisée avec une faible perte énergétique; c'est-à-dire un faible - froidissement gaz, du fait que les échanges thermiques à travers la pa roi isolée du tube 11 sont réduits. Dans le d'un dispositif de refroidissement 1 utilisé en amont d'un piège à NOx, peut ainsi régler la température des gaz d'échappement dans une plage de températures assurant un fonctionnement satisfaisant piège à NOx, cette plage de températures pouvant être comprise par exem ple entre 300 et 500 C. Le dispositif de refroidissement suivant l'invention peut donc être tionné de manière automatique pour assurer soit un refroidissement intense des gaz d'échappement avec une évacuation de puissance thermique im portante, soit un faible refroidissement avec une évacuation d'une puissance thermique faible. On peut ainsi, en particulier dans le cas d'un piège à NOx, protéger de manière efficace le piège à NOx contre toute dégradation ther mique par des gaz d'échappement ayant une température excessive et faire fonctionner le piège à NOx dans de très bonnes conditions de rendement, quel que soit le régime de fonctionnement du moteur. En particulier, le dispositif de refroidissement suivant l'invention met d'éviter l' ilisation d'un surenrichissement en carburant qui est néces saire dans le de moteurs Diesel à injection directe comportant des lignes d'échappement classiques, ce surenrichissement étant nécessaire pour - surer la protection du piège à NOx. On obtient donc un gain en consomma tion important dans le cas de l'utilisation du dispositif suivant l'invention. Cet avantage est particulièrement important, du fait que les constructeurs d'au tomobiles recherchent, dans le cas des moteurs Diesel à injection directe, un gain de consommation par rapport à la consommation des moteurs de type classique. outre, le dispositif suivant l'invention apporte avantages sui vants - ce qui concerne le traitement des gaz dans I ligne d'échappe ment; le dispositif permet de rester dans la plage d'effi ité du système de dépollution en amont duquel il est placé et de protéger I composants du système dépollution contre des dégradations d'origine thermique - ce qui concerne l'implantation du dispositif, celui-ci est compact et peut être facilement implanté dans un sous-plancher du icule automo bile ; en effet, le dispositif comporte uniquement deux voies circulation qui sont généralement constituées par de simples tubes rectilignes qui ont des longueurs identiques et compatibles avec une implantation du dispositif de refroidissement sous le plancher du véhicule automobile ; - en ce qui concerne la facilité et la fiabilité de réalisation du dispositif, on utilise des technologies habituelles dans le cas de la fabrication en série de composants pour une ligne d'échappement : le tube à forte perte énergé tique peut être constitué sous la forme d'un tube classique d'un dispositif d'échappement et le tube à faible perte énergétique par réalisation d'une isolation thermique de la paroi d'un tube classique ou par un tube à lame d'air bien connu ; les collecteurs d'entrée et de sortie du dispositif de refroi dissement peuvent être réalisés suivant une technologie classique, à partir de i-coquilles. différents éléments du dispositif de refroidissement suivant l'in- venti à savoir les tubes et les collecteurs peuvent être réalisés en tout matériau pouvant être facilement formés et assemblés et présentant une bonne tenue à la corrosion à haute température par les gaz d'échappement et l'air de refroidissement. De tels matériaux peuvent être par exemple de l'acier aluminié, de l'acier inoxydable ou un alliage de nickel renfermant du chrome. L'invention ne se limite pas strictement au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que la première voie de circulation des gaz à forte perte énergétique peut être obtenue à partir d'un simple tube dont la paroi pré sente une faible inertie thermique et d'une forte capacité d'échange de cha- leur, mais encore sous la forme de deux ou plus de deux tubes de même longueur disposés en parallèle; ce qui permet d'augmenter la surface 'échange entre la paroi extérieure de la première voie de circulation et l'air refroidissement. La seconde voie de circulation des gaz d'échappement du dispositif refroidissement peut être réalisée sous d'autres formes que celles qui ont décrites, de telle manière que la paroi d'échange entre les d'échap pement et l'air de refroidissement présente certaines propriétés 'isolation thermique. De même, les collecteurs d'entrée et de sortie du dispositi refroi dissement peuvent présenter des formes différentes de celles i été décrites et représentées. Le dispositif d'aiguillage des gaz dans une voie de circulati dans I autre, en fonction d'un paramètre thermique tel que la température des gaz 'échappement en amont du dispositif de refroidissement, peut présenter une forme différente de celle qui a été décrite. Dans le cas de l'utilisation 'une vanne commandée par un moteur électrique ou un disposi if pneuma- ïque ou hydraulique, le clapet de la vanne peut être prévu pour fermer une partie d'extrémité quelconque d'entrée ou de sortie d'une voie de circulation. Le dispositif d'aiguillage peut également être constitué par un plusieurs registres disposés dans le collecteur d'entrée ou dans le collecteur de sortie et permettant de diriger le gaz d'échappement vers l'une ou l'autre des voies circulation. II peut être également utile d'adjoindre au moins un soufflet à l'un au ins des deux tubes 10 et 11 comme compensateur de dilatation différen tielle entre les deux tubes de technologies différentes. De préférence, le dispositif de refroidissement suivant l'invention est disposé immédiatement en amont d'un dispositif de traitement des gaz 'échappement tel qu'un système de dépollution. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au refroidissement des gaz amont d'un piège à NOx mais peut être utilisé en amont de tout dispositif dépollution dont il peut être nécessaire de protéger les composants con- les chocs thermiques ou contre une haute température ou de régler les conditions de fonctionnement, dans une plage de températures précise des gaz d'échappement. L'invention applique à tout type de véhicule automobile comportant un dispositif de itement des gaz d'échappement tel qu'un système de dé pollution. REVENDICATIONS .- Dispositif de refroidissement de gaz d'échappement moteur (4) d'un icule automobile, intercalé sur le trajet des gaz d'échappement dans une ligne d'échappement (2) du véhicule, comportant une premi' voie de circulati (10) des gaz d'échappement constituée par au moins premier conduit (10) en contact par sa paroi externe avec de l'air de refroidissement, une seconde voie de circulation des gaz constituée par au moins un second conduit (11) ayant une paroi externe en contact avec l'air de refroidissement et des moyens d'aiguillage (12, 13) des gaz d'échappement vers la première ou la seconde voie de circulation commandés en fonction paramètre thermi de fonctionnement de la ligne d'échappement du moteur (4), ca ractérisé par le fait que les conduits (10, 11) constituant la première et la seconde ies de circulation ont des longueurs sensiblement " les dans la direction iale de la ligne d'échappement et des parois latérales d'échange thermi avec l'air de refroidissement ayant des caractéristiques d'échange thermi sensiblement différentes. - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé le fait qu'il comporte une première voie de circulation constituée par au moins un tube (10) rectiligne ayant une simple paroi métallique d'échange avec l'air de re froidissement et une seconde voie de circulation constituée par moins un tube (1 ayant une paroi isolée thermiquement. .- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par fait que le tube (1 constituant la première voie de circulation des gaz d'échappement est un tube en acier aluminié. - Dispositif suivant l'une quelconque des revendicati 2 et 3, ca- ractéri " par le fait que le tube constituant la seconde voie de circulation est un tube ' lame d'air dont la paroi est isolée par une lame d'air isposée en tre un élément de paroi interne et un élément de paroi externe tube. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, ca ractérisé par le fait que le tube (10) constituant la première voie de circula tion présente un diamètre interne sensiblement supérieur au diamètre in terne du tube (11) constituant la seconde voie de circulation. 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, ca ractérisé le fait que les moyens d'aiguillage (12, 13) des gaz d'échappe ment vers première ou la seconde voie de circulation (10, 11) sont cons titués par une vanne (12) ayant une soupape permettant l'ouverture ou la fermeture d'une extrémité de l'une des voies de circulation du dispositif de refroidissement dont le déplacement est assuré par un moteur 3) com mandé unité de commande (14) reliée à une sonde , 15") de mesure I température des gaz d'échappement en un point la ligne d'échappement. 7.- Dispositif suivant la revendication 6. caractérisé par le fait que la vanne (12) disposée de manière que la soupape de vanne assure la fermeture d' extrémité de sortie de la première voie de circulati (10) à forte perte énergétique thermique. 8.- ispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7, ca ractérisé le fait qu'il comporte un collecteur d'entrée (8) comportant un conduit d'entrée relié à une partie amont (2") de la ligne d'échappement et deux branches de sortie reliées chacune à une extrémité d'entrée 'un tube (10, 11) constituant une voie de circulation et un collecteur de ie (9) comportant conduit de sortie relié à la partie aval (2") de la ligne d'échap pement et deux branches d'entrée reliées chacune à une partie d'extrémité de sortie d'un tube (10, 11) constituant une voie de circulation de gaz d'échappement. 9.- Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il est disposé sur la ligne d'échappement (2) du véhicule automobile, en amont d'un système de dépollution tel qu'un piège à NOx (7), en particulier un piège à d'un moteur Diesel à injection directe. - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 9; ca ractérisé le fait qu'au moins un soufflet est adjoint à l'un au moins des tubes ) comme compensateur de dilatation différentielle entre les tu bes (10,