Brevet FR2801070A1 — publié le 20010518

"Catalyseur pour le traitement des gaz d'échappement et ligne d'échappement comportant un tel catalyseur" L'invention concerne un catalyseur pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion. L'invention concerne plus particulièrement un catalyseur pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion du type qui comprend un corps dans lequel sont agencés des canaux de traitement d'orientation sensiblement parallèle ' l'axe général d'écoulement des gaz d'échappement dans le catalyseur, et du type qui comporte en amont et en aval des canaux, une boîte d'entrée et une boîte de sortie. L'invention concerne aussi une ligne d'échappement pour un moteur à combustion comportant au moins deux conduites indépendantes de sortie qui gaz d'échappement et un catalyseur de traitement selon l'invention. moteurs à combustion interne permettent de transformer en énergie mécanique l'énergie issue de la combustion d'un mélange air/carburant. Si le mélange initial est dosé selon le rapport stoechiométrique théorique, c'est ' dire 1 gramme carburant pour 14,7 grammes d'air, les produits issus de la combustion sont du dioxyde de carbone (C02) et l'eau (H 2 0). Toutefois, dans certaines phases de fonctionnement du moteur, mélange carburé peut être riche, c'est-à-dire comporter un excès de carburant, ou pauvre, c'est-à-dire comporter un excès d'air. Dans le cas d'un mélange riche, il apparaît dans les produits issus de la combustion, en plus de l'eau et du dioxyde de carbone, des molécules réductrices telles que des hydrocarbures (HC), du monoxyde de carbone (CO) et de l'hydrogène (H2). Dans le cas d'un mélange pauvre, il y a apparition dans les gaz d'échappement de molécules oxydantes telles que oxydes d'azote (NOx), et de l'oxygène (02). Pour limiter la production de ces substances polluantes, il est donc nécessaire que le moteur fonctionne le plus souvent possible en brûlant un mélange dosé selon les proportions stoechiometriques, mais cela n'est pas toujours possible, ni même souhaitable. En effet, lorsque le moteur est froid ou lorsque l'on désire obtenir puissance maximale, par exemple au cours d'une accélération du véhicule, il est nécessaire de faire fonctionner moteur avec un mélange riche. Au contraire, lors des phases de décélération ou lorsque besoin de puissance est faible, on a intérêt à faire fonctionner moteur à l'aide d'u n mélange pauvre pour réduire consommation de carburant. Depuis plusieurs années déjà, des normes de dépollution imposent de munir les véhicules automobiles d'un pot catalytique ou catalyseur destiné à traiter chimiquement les d'échappement pour les débarrasser de la majeure partie substances polluantes qu'ils contiennent. Les pots catalytiques généralement utilisés ont pour première fonction d'achever la combustion du mélange carbure qui n'est qu'incomplète à l'intérieur du moteur. Il s'agit alors regrouper sur des sites catalytiques des molécules oxydantes des molécules réductrices présentes dans les gaz d'échappement pour qu'elles se'combinent afin de produire de l'eau et du dioxyde de carbone. Ces sites sont formés sur un support, appele monolithe, qui est une structure poreuse présentant une grande superficie de contact avec les gaz d'échappement traversant pot, et qui est revêtue de diverses substances chimiques ayant des propriétés catalytiques. Cette fonction permet de pallier la combustion incomplète à l'intérieur des cylindres du moteur, mais elle ne permet d'éliminer les substances polluantes que lorsque le mélange carburé initial est un mélange stoechiométrique. Aussi, les pots catalytiques possèdent également la faculté de "stocker" des atomes d'oxygène par oxydation de substances chimiques présentes dans le catalyseur, telles le cérium. Ainsi, lorsque les gaz d'échappement entrent dans le catalytique sont issus de la combustion mélange pauvre, comportent des atomes d'oxygène en exces et ceux-ci sont stockés dans le pot catalytique, Lorsque le mélange brûlé dans le moteur est riche, les gaz d'échappement qui arrivent dans le pot contiennent des molécules réductrices, mais celles-ci peuvent se combiner avec les atomes d'oxygène, précedemment stockés dans le pot catalytique au cours d'une phase fonctionnement avec un mélange pauvre, pour produire de l'eau du dioxyde de carbone. Le pot catalytique a donc pour fonction seulement de favoriser des réactions chimiques entre substances contenues dans les gaz d'échappement, mais il a egalement pour fonction d'être un stock-tampon de molécules d'oxygène qui permet de réguler la composition des gaz émis dans l'atmosphère à sortie du pot. La température de fonctionnement optimum du catalyseur élevée. Or, dans certaines configurations, catalyseur est disposé dans la conduite d'échappement a une distance relativement éloignée de la culasse du moteur. La température gaz d'écha'ppement qui traversent le catalyseur est alors inferieure à la température de fonctionnement optimum du catalyseur. Cet inconvénient est notamment rencontré pour un collecteur ou ligne d'échappement du type dit "3Y", c'est-à-dire une ligne qui, pour un moteur à quatre cylindres, comporte d'amont en aval, quatre conduits de sortie de la culasse du moteur qui se rejoignent deux à deux en deux conduites intermédiaires qui se rejoignent à leur tour en une conduite d'échappement unique. Dans cette configuration, le pot catalytique est interposé dans la conduite d'échappement unique. Cependant, distance qui separe la conduite d'échappement de la culasse moteur provoque une diminution importante de la température gaz d'échappement entre leur sortie du moteur et leur passage dans le catalyseur. Une autre solution consiste à interposer un catalyseur dans chaque conduite intermédiaire. Cette configuration présente d'une part l'inconvénient d'augmenter fortement les coûts de production d'une telle ligne et, d'autre part, d'augmenter l'encombrement de la ligne. En effet, le coût et l'encombrement de deux catalyseurs sont plus importants que ceux d'un seul catalyseur. Dans le but de résoudre ces problèmes l'invention propose un catalyseur pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion du type qui comprend un corps dans lequel sont agencés des canaux de traitement d'orientation sensiblement parallele à l'axe général d'écoulement des gaz d'échappement dans catalyseur, et du type qui comporte en amont et en aval des canaux, une boîte d'entrée et une boîte de sortie, caractérisé en que la boîte d'entrée comporte au moins deux orifices distincts d'entrée dont chacun peut être relié directement à au moins un conduit associé de sortie des gaz d'échappement du moteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la boîte d'entrée comporte au moins une cloison qui divise la boîte d'entrée en au moins deux chambres d'entrée dont chacune comporte un orifice d'entrée et alimente une zone séparée de traitement des gaz d'échappement à l'intérieur du catalyseur ; - la boîte d'entrée est composée d'au moins deux boîtes d'entrée indépendantes dont chacune comporte un orifice d'entrée et qui alimente chacune une zone séparée de traitement des gaz d'échappement à l'intérieur du catalyseur ; - la boîte de sortie est reliée à au moins une conduite d'échappement ; - la boîte de sortie comporte au moins une cloison qui divise la boîte de sortie en au moins deux chambres de sortie dont chacune comporte un orifice de sortie et qui sont alimentees chacune par au moins une zone séparée de traitement des d'échappement ; - la boîte de sortie est composée d'au moins deux boîtes sortie indépendantes dont chacune comporte un orifice de sortie et qui sont alimentées chacune par une zone séparée de traitement des gaz d'échappement. L'invention propose aussi, une ligne d'échappement pour moteur à combustion comportant au moins deux conduits indépendants de sortie des gaz d'échappement et un catalyseur de traitement, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun de ces deux conduits sortie est relié directement à l'un des orifices distincts d'entrée la boîte d'entrée du catalyseur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - plusieurs conduits de sortie des gaz d'échappement sont reliés à un même orifice d'entrée du catalyseur ; - la ligne d'échappement comporte une conduite d'échappement unique reliée à un orifice de sortie de la boîte de sortie. D'autres. # caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées danslesquelles: - la figure 1 représente un moteur à combustion équipé d'une ligne d'échappement du type dit "3Y" ; - la figure 2 représente une ligne d'échappement similaire à celle de la figure 1 dans la conduite d'échappement de laquelle est interposé un catalyseur, représenté en coupe longitudinale, selon l'état de la technique ; - la figure 3 représente une ligne d'échappement similaire à celle de la figure 1 dans chacune des conduites intermédiaires laquelle est interposé un catalyseur selon l'état de technique ; - la figure 4 représente un moteur à combustion relié à ligne d'échappement selon l'invention dans laquelle est interposé catalyseur, représenté en coupe longitudinale, selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un catalyseur pour le traitement des gaz d'échappement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention -, - la figure 6 représente une vue similaire à celle de la figure 4 dont la ligne d'échappement est équipée d'un catalyseur selon une variante de l'invention ; - la figure 7 représente une vue similaire à celle de la figure 4 dont la ligne d'échappement est équipée d'un catalyseur selon encore une autre variante. La figure 1 représente schématiquement une ligne d'echappement 10 du type dit "3Y" raccordée aux sorties de culasse d'un moteur à combustion 12 à l'aide d'une bride fixation 14. La ligne d'échappement 10 comporte ici quatre conduits de sortie 16a, 16b, 16c et 16d dont chacun est raccordé à la sortie d'une chambre de combustion du moteur 12 qui est ici un moteur à quatre - cy.lindres. Ils assurent l'évacuation des d'echappement G de chacune des chambres de combustion moteur 12. Les quatre conduits de sortie 16 se rejoignent deux à deux une conduite intermédiaire de façon à former les deux premiers "Y". Chaque paire de conduits de sortie 16a-16d et 16b- 16c est ainsi raccordée à une conduite intermédiaire 18a et 18b respectivement. Les deux conduits intermédiaires 18a et se rejoignent ensuite en une conduite unique d'échappement et forment ainsi troisième "Y". figure 2 représente la ligne d'échappement 10 du type dit "3Y" dans la conduite d'échappement 20 de laquelle est interposé un pot catalytique, ou catalyseur 22, dans lequel les gaz d'échappement G s'écoulent longitudinalement d'amont en aval. Le catalyseur 22 est constitué d'un corps 24 dans lequel est agencé un monolithe composé de canaux de traitement 26 qui sont revêtus de substances chimiques ayant des propriétés catalytiques. Les deux extrémités amont et aval du catalyseur 22 comporte une boîte d'entrée 28 et une boîte de sortie 30 respectivement. orifice d'entrée 40 est réalisé dans une face de la boîte d'entrée qui est d'orientation sensiblement perpendiculaire au sens d'écoulement des gaz d'échappement G dans le catalyseur 22. De façon similaire un orifice de sortie 42 réalisé dans une face de la boîte de sortie 30 qui d'orientation sensiblement perpendiculaire au sens d'écoulement des gaz d'échappement G dans le catalyseur 22. Ainsi, les% substances chimiques qui recouvrent les canaux de traitement. 26 longitudinaux réagissent avec les gaz d'échappement G de façon à transformer une partie des substances toxiques telles que des hydrocarbures ou du monoxyde de carbone en substances non toxiques telles que de l'eau ou du dioxyde de carbone. Une température élevée est nécessaire pour que ces réactions aient un rendement optimum. Or, les pertes thermiques des gaz d'échappement G entre la culasse du moteur 12 et le catalyseur 22 sont importantes. Pour atteindre la température de fonctionnement optimum du catalyseur 22 il est nécessaire d'implanter en amont d u catalyseur 22 u n dispositif d'augmentation de la température des gaz d'échappement G. Le dispositif, non representé, comprend des moyens de chauffage additionnels tels qune résistance électrique ou une injection de carburant supplementaire destinée à augmenter la température des gaz d'échappement G. Dans tous les cas, les moyens de chauffage additionnels sont coûteux et consomment une énergie supplémentaire qui augmente la consommation en carburant du véhicule. Dans la suite de la description les éléments identiques ou similaires à ceux décrits précédemment seront désignés par une référence identique. La figure 3 représente une ligne d'échappement du type "3Y", selon l'état de la technique, dans chacune des conduites intermédiaires 18a et 18b de laquelle est inséré un catalyseur 22a et 22b respectivement. Cet agencement permet de rapprocher les catalyseurs 22a et 22b du carter du moteur et permet aux catalyseurs 22a et 22b d'être traversés par gaz d'échappement G plus chauds que précédemment. Cependant, le coût réalisation d'une telle ligne d'échappement est élevé. En effet, bien que chacun des deux catalyseurs 22a et 22b aient taille plus petite qu'un catalyseur 22 uniques ayant la même capacité de traitement des gaz d'échappement. G, leur coût supérieur. L'encombrement des deux catalyseurs 22a et 22b supérieur à celui d'un catalyseur unique 22 ayant la même capacité. De plus, il est nécessaire de prévoir deux systèmes de fixation des catalyseurs 22a et 22b. Afin de résoudre problèmes l'invention propose, conformément à la figure 4, ligne d'échappement 10 équipée d'un catalyseur 22 unique selon un premier mode de réalisation de l'invention. La face amont de la boîte d'entrée 28 du catalyseur 22 comporte deux orifices 44a et 44b au niveau desquels se rejoignent, par paires, les conduits de sortie 16b, 16c et 16a, 16d respectivement. L'utilisation du catalyseur 22 unique selon le premier mode de réalisation de l'invention et la suppression des conduites intermédiaires 18a et 18b réduisent le coût et l'encombrement de la ligne d'échappement 10. Les conduites intermédiaires 18a et étant supprimées distance entre le catalyseur 22 et le carter sortie du moteur est réduite. Ainsi, les gaz d'échappement entrent dans le catalyseur 22 sont à une température élevee favorise les transformations des substances toxiques en substances non toxiques. Selon un deuxième mode de réalisation, l'invention propose un catalyseur 22 représenté en vue en coupe longitudinale à la figure 5. Le catalyseur 22 comporte, en plus deux orifices d'entrée 44a et 44b, une cloison 46 qui divise boîte d'entrée en une première 48a et une seconde 48b chambres d'entrée. Le flux gaz d'échappement G traverse alors les canaux de traitement selon une première 50a et une seconde 50b zones de traitement séparées qui correspondent respectivement aux chambres 48a et 48b. Cet agencement est avantageux. En effet, le cycle d'évacuation des gaz d'échappement G du moteur 12 s'effectue suivant un ordre chronologique dans les conduits de sortie : 16a, 16c, 16d puis 16b. Ainsi, un premier flux de gaz d'échappement G arrive du conduit de sortie 16a dans la première chambre d'entrée 48a puis s'écoule dans la première zone de traitement 50a des canaux 26, lorsque le second flux des gaz d'échappement G arrive dans la seconde chambre d'entrée 48b par le conduit de sortie 16c, le premier flux des gaz d'échappement G finit de s'écouler à travers les canaux 26 de la première zone de traitement 50a et la boîte de sortie 30. Les gaz d'échappement G issus du conduit de sortie 16a créent ainsi une légère dépression dans la seconde zone de traitement 50b et dans la seconde chambre d'entrée 48b et ainsi aspirent le second flux gaz d'échappement G à travers la seconde zone de traitement Ce phénomène se produit à chaque arrivée d'un flux gaz d'échappement G dans l'une des chambres d'entrée et 48b. Ensuite, les divers flux se rejoignent en un flux unique dans la boîte de sortie 30 et sont évacués par la conduite d'échappement 20. Le catalyseur 22 facilite ainsi la traversée des canaux de traitement par les gaz d'échappement G et diminue pertes de charge a l'intérieur du catalyseur 22. Cela diminue pression au niveau de la sortie des chambres de combustion et par conséquent améliore le rendement du moteur 12. Avantageusement, les deux zones de traitement 50a et 50b ont une capacité de traitement identique. Selon une variante, la boîte d'entrée 28 est constituée de deux boîtes d'entrée 28a et 28b distinctes, conformément à la figure 6. Chacune des boîtes d'entrée 28a et 28b comporte un orifice d'entrée 40a et 40b respectivement. Selon une seconde variante, représentée à la figure 7, le catalyseur 22 comporte une cloison 52 qui divise la boîte de sortie 30 en une première 54a et une seconde 54b chambres de sortie qui sont alimentées en gaz d'échappement G par les flux des gaz qui traversent la première 50a et la seconde zone de traitement 50b respectivement. Chaque chambre de sortie et 54b comporte un orifice de sortie 56a et 56b qui est relié a une conduite d'échappement 58a et 58b respectivement. Par la suite les flux des gaz d'échappement G qui circule dans chacune des conduites d'échappement 58a, 58b peuvent, par exemple, converger dans une troisième conduite d'échappement unique, non représentée, ou être évacués directement vers l'atmosphère. Selon une autre variante, non représentée, boîte de sortie 30 est constituée de deux boîtes de sortie distinctes reliées chacune à une conduite d'échappement. La description précédente de l'invention lest pas limitative. effet, la boîte d'entrée et la boîte de sortie du catalyseur peuvent comporter plusieurs cloisons définissant ainsi plusieurs chambres ou être constituées de plusieurs boîtes, chacune comportant au moins un orifice d'entrée auquel est accordé moins un conduit dans lequel circule les gaz d'échappement G du moteur 12. L'invention s'applique à un moteur à combustion 12 qui comporte au moins deux conduits de sortie des gaz d'échappement G. REVENDICATIONS 1 . Catalyseur (22) pour le traitement des gaz d'échappement (G) d'un moteur à combustion (12) type qui comprend un corps (24) dans lequel sont agencés canaux (26) de traitement d'orientation sensiblement parall à l'axe général d'écoulement des gaz d'échappement dans le catalyseur (22), et du type qui comporte en amont en aval des canaux (26), une boîte d'entrée (28) et une boîte de sortie (30), caractérisé en ce que la boîte d'entrée (28) comporte au moins deux orifices (44a, 44b) distincts d'entrée dont chacun peut être ié directement à au moins un conduit associé de sortie (16a, 16c, 16d) des gaz (G) d'échappement du moteur 2). 2. Catalyseur (22) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la boîte d'entrée(28) comporte au moins cloison (46) qui divise la boîte d'entrée (28) en au ins deux chambres d'entrée (48a, 48b) dont chacune comporte orifice d'entrée (44a, 44b) et alimente une zone séparée traitement (50a, 50b) des gaz d'échappement (G) à l'intérieur catalyseur (22). 3. Catalyseur (22) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boîte d'entrée (28) est composée d'au moins deux boîtes d'entrée (28a, 28b) indépendantes dont chacune comporte un orifice d'entrée (40a, 40b) et qui alimente chacune une zone séparée de-traitement (50a, 50b) des gaz d'échappement (G) à l'intérieur du catalyseur (22). 4. Catalyseur (22) selon 1'u n e quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boîte de sortie (28) est reliée à au moins une conduite d'échappement (20). 5. Catalyseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boîte de sortie (30) comporte au moins une cloison (52) qui divise la boîte de sortie (30) en au moins deux chambres de sortie (54a, 54b) dont chacune comporte un orifice de sortie (56a, 56b) et qui sont alimentées chacune par au moins une zone séparée de traitement (50a, 50b) des gaz d'échappement 6. Catalyseur (22) selon Pu n e quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en que la boîte de sortie (30) est composée d'au moins deux boîtes de sortie indépendantes dont chacune comporte un orifice sortie et qui sont alimentées chacune par une zone séparée traitement (50a, 50b) des gaz d'échappement (G). 7. Ligne d'échappement pour un moteur à combustion comportant au moins deux conduits indépendants de sortie (16a, 16b, 16c, 16d) des gaz d'échappement (G) et un catalyseur de traitement (22), selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce chacun de ces deux conduits de sortie (16a, 16b, 16c, 16d) ié directement à l'un des orifices distincts d'entrée (44a, 44b) la boîte d'entrée (30) du catalyseur (22). 8. Ligne d'échappement selon la revendication précédente, caractérisée en ce que plusieurs conduits de sortie (16a, 16b, 16c, 16d) des gaz d'échappement sont reliés à un même orifice d'entrée (44a, 44b) du catalyseur (22). 9. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite d'échappement (20) unique reliée à un orifice de sortie (42) de la boîte de sortie (30).