Brevet FR2829183A1 — publié le 20030307

L'invention concerne une ligne d'échappement d'un véhicule automobile reliée à une partie d'échappement du moteur du véhicule automobile et comportant un dispositif de dépollution des gaz d'échappement à réglage thermique. Les lignes d'échappement des moteurs de véhicules automobiles comportent le plus souvent des dispositifs de dépollution qui sont utilisés pour éliminer les polluants présents dans les gaz d'échappement à la sortie des cylindres du moteur. Les polluants présents dans les gaz d'échappement des moteurs de véhicules automobiles peuvent être constitués par exemple par du monoxyde de carbone CO, des oxydes d'azote ou encore des hydrocarbures imbrûlés. Les dispositifs de dépollution des gaz d'échappement intercalés sur la ligne d'échappement d'un véhicule automobile sont constitués généralement par un corps catalyseur poreux disposé dans une enveloppe de forme globale cylindrique dont le corps catalyseur occupe toute la section transversale. Les matières polluantes contenues dans les gaz d'échappement à haute température qui traversent le corps catalyseur du dispositif de dépollution, à l'intérieur de canaux revêtus de matériaux catalytiques, par exemple de métaux précieux, sont transformées en espèces non polluantes telles que le gaz carbonique et la vapeur d'eau. Les gaz d'échappement des véhicules automobiles à la sortie de la ligne d'échappement contiennent de fortes proportions de polluants, juste après le démarrage du moteur du véhicule automobile, et en particulier dans les premières secondes suivant le démarrage, du fait que les catalyseurs installés sur la ligne d'échappement ne sont pas encore à une température permettant de les rendre actifs au contact des gaz provenant de la partie d'échappement du moteur du véhicule automobile. Pour que les catalyseurs puissent être amorcés de manière à assurer un traitement des polluants, il est nécessaire d'atteindre une certaine température à l'entrée du catalyseur, cette température étant appelée température de "light-off'. Tant que les gaz d'échappement ne sont pas capables d'élever la température du catalyseur jusqu'à la température de "light off', celui-ci est inopérant pour assurer le traitement des polluants. Il est donc nécessaire d'assurer un chauffage très rapide du catalyseur, aussitôt après le démarrage du moteur, de manière à le rendre capable de dépolluer les gaz d'échappement. Du fait que les volumes des corps catalyseurs sont assez importants, il est nécessaire de fournir une grande quantité d'énergie thermique au catalyseur, dès le démarrage du moteur. En outre, la quantité de polluants étant croissante au cours du temps, tout le volume du catalyseur n'est pas nécessaire dès le démarrage du moteur. Toutefois, on ne connaît pas de dispositif simple permettant de mettre à profit ces caractéristiques de fonctionnement du catalyseur, pour optimiser son fonctionnement, en particulier au moment du démarrage du moteur. Le but de l'invention est donc de proposer une ligne d'échappement d'un véhicule automobile reliée à une partie d'échappement du moteur du véhicule automobile, comportant un dispositif de dépollution des gaz d'échappement constitué par un corps poreux disposé dans une enveloppe de forme globale cylindrique, dans toute la section transversale de l'enveloppe, qui permette d'obtenir un fonctionnement satisfaisant du dispositif de dépollution dès le démarrage du moteur et pendant les phases ultérieures de fonctionnement. Dans ce but, le dispositif de dépollution est relié directement à la partie d'échappement du moteur, par une conduite débouchant dans une partie d'entrée du dispositif de dépollution, en vis-à-vis d'une face d'entrée du corps poreux et le dispositif de dépollution comporte un déflecteur des gaz d'échappement disposé dans la partie d'entrée du dispositif, réglable de manière à diriger les gaz d'échappement vers une partie de section réduite de la face d'entrée du corps poreux, lorsque les gaz d'échappement sont à basse température, et vers une partie de section croissante de la face d'entrée, lorsque la température des gaz d'échappement augmente. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'une ligne d'échappement suivant l'invention comportant un dispositif de dépollution catalytique à réglage thermique. Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en élévation d'un moteur et d'une ligne d'échappement selon l'invention, d'un véhicule automobile, au cours de deux phases de fonctionnement du moteur et du véhicule automobile. La figure 3 est une vue en élévation de la partie d'entrée d'un dispositif de dépollution catalytique de la ligne d'échappement représentée sur les figures 1 et 2. La figure 4 est une vue en perspective de la partie d'entrée du dispositif de dépollution vue depuis l'intérieur du dispositif de dépollution. La figure 5 est une vue en perspective d'un déflecteur réglable du dispositif de dépollution dans deux positions fonctionnelles. La figure 6 est une représentation conventionnelle du déflecteur dans deux positions fonctionnelles. Sur les figures 1 et 2, on voit un moteur 1 d'un véhicule automobile comportant une partie d'échappement 2 telle qu'un collecteur ou un ensemble de tubulures et une ligne d'échappement 3 sur laquelle est disposé un dispositif de dépollution catalytique 4 placé à l'avant du moteur dans une disposition verticale. Le dispositif de dépollution catalytique 4 comporte une enveloppe externe de forme globalement cylindrique contenant un corps catalyseur 5 poreux, traversé par des canaux de direction généralement axiale. Les parois des porosités ou canaux du corps catalyseur 5 sont recouverts d'un matériau catalytique tel qu'un métal précieux au contact duquel les substances polluantes des gaz d'échappement du moteur à haute température sont traitées pour être transformées en substances non polluantes. L'enveloppe métallique du dispositif de dépollution catalytique 4 comporte, à ses extrémités, des pièces de raccordement d'entrée et de sortie 4a et 4b permettant de relier le dispositif de dépollution catalytique à deux conduits de la ligne d'échappement. La pièce de raccordement 4a située à l'entrée du dispositif de dépollution catalytique 4, dans le sens de circulation des gaz d'échappement (flèche 6), peut être constituée par exemple par un cône d'entrée à génératrices courbes visible en particulier sur la figure 3 et permettant de raccorder une conduite amont 7 de la ligne d'échappement à une extrémité du cône d'entrée 4 présentant une faible section. La seconde extrémité opposée du cône d'entrée 4a présente sensiblement la section du corps cylindrique du catalyseur 4 auquel elle est raccordée. Le volume intérieur du cône d'entrée 4a du dispositif de dépollution catalytique 4 constitue la partie d'entrée du catalyseur dans laquelle débouche la conduite 7 d'arrivée des gaz d'échappement et qui est délimitée par une face d'extrémité, ou face d'entrée 5a, du corps catalyseur 5. Selon l'invention, la partie d'entrée du dispositif de dépollution catalytique délimitée par le cône d'entrée 4a et la face d'entrée 5a du corps poreux 5 est reliée directement à la partie d'échappement 2 du moteur 1, par exem- ple aux tubulures d'échappement du moteur, aucun autre composant de la ligne d'échappement n'étant intercalé entre la partie d'échappement 2 du moteur 1 et la partie d'entrée du dispositif de dépollution catalytique 4. Selon l'invention également, un déflecteur 8 est disposé dans la partie d'entrée du dispositif de dépollution catalytique 4, de manière à diriger le flux de gaz d'échappement 6'provenant du conduit 7 vers une partie seulement de la section de la face d'entrée 5a du corps catalyseur, lorsque le déflecteur 8 est dans sa position représentée sur la figure 1. Le déflecteur est dans cette première position représentée sur la figure 1, lorsque les gaz d'échappement sont à une température peu élevée, par exemple dans les premières secondes suivant le démarrage du moteur 1. Dans ce cas, les gaz d'échappement constituant le flux 6'ne viennent en contact qu'avec une partie de section réduite de la face d'entrée du catalyseur et ne circulent que dans une partie du volume du catalyseur, de sorte que l'échauffement de cette partie du catalyseur sous l'effet de la circulation des gaz d'échappement est sensiblement plus rapide que dans le cas où les gaz d'échappement viennent en contact, dès le démarrage du moteur, avec l'ensemble de la section de la face d'entrée du catalyseur. En outre, les gaz d'échappement renfermant une quantité de pol- luants plus faible, dans la phase de démarrage que dans des phases ulté- rieures de fonctionnement du moteur, la fraction du catalyseur utilisée pour la dépollution est suffisante pour assurer une dépollution efficace des gaz d'échappement. Dans une phase ultérieure de fonctionnement du moteur, comme représenté sur la figure 2, le déflecteur 8 s'est déformé par flexion sous l'effet d'une élévation de température due au contact des gaz d'échappement et le flux de gaz d'échappement 6"pénétrant dans la partie d'entrée du dispositif catalytique 4 vient en contact avec une partie plus importante de la section de la face d'entrée 5a du corps catalyseur 5. Le catalyseur qui avait été activé par échauffement dans sa partie de section réduite juste après le démarrage du moteur s'échauffe progressivement, dans une partie plus importante de son volume, du fait que le dépla- cement du déflecteur permet aux gaz d'échappement d'entrer en contact avec une plus grande section de la surface d'entrée 5a du corps catalyseur. La partie de sortie du dispositif de dépollution catalytique est constituée par un collecteur 4b de récupération des gaz traités dans le dispositif de dépollution qui est relié à la partie aval 9 de la ligne d'échappement du moteur disposée de manière générale suivant la direction longitudinale du véhicule automobile. Dans le cas d'un dispositif de dépollution catalytique dont l'enveloppe est placée dans une disposition verticale à l'avant du moteur 1, la partie aval 9 de la ligne d'échappement passe sous le moteur 1 puis sous le plancher du véhicule automobile pour s'étendre suivant la direction longitudinale du véhicule. Sur la partie aval 9 de la ligne d'échappement peuvent être placés des dispositifs catalyseurs et des pots d'échappement. Le dispositif de dépollution réalisé suivant l'invention et comportant le déflecteur 8 qui est relié directement à la partie d'échappement du moteur 1 pourrait être également placé horizontalement sur une partie de la ligne d'échappement, dans une direction longitudinale du véhicule automobile. Le déflecteur 8 peut être constitué par deux plaques métalliques ayant des coefficients de dilatation thermique différents fixées entre elles, dans une position superposée, par rivetage, soudure ou collage. Du fait que les deux plaques se dilatent de manière différente, le déflecteur 8 se déforme par flexion pour passer par exemple de sa première configuration 8'à une seconde configuration 8"représentées sur la figure 4 qui montre la surface interne du cône d'entrée 4a de l'enveloppe du dispositif de dépollution vu depuis l'intérieur du dispositif de dépollution et sur la figure 5 qui montre le déflecteur seul. Le déflecteur 8 constitué par exemple sous la forme d'une bilame, comme décrit plus haut, est fixé, par l'une de ses extrémités, par exemple par soudage, à la partie de raccordement 4a à faible section du cône d'entrée à la conduite d'arrivée des gaz d'échappement 7. La seconde extrémité du déflecteur est libre en déplacement à l'intérieur de la partie d'entrée 4a du dispositif de dépollution. Comme il est visible sur la figure 4, le déflecteur 8 présente, dans sa configuration 8', lorsque les gaz d'échappement sont à basse température, après le démarrage du moteur, une courbure dirigée vers la paroi du cône d'entrée opposée à la paroi sur laquelle est fixée l'extrémité de la lame au niveau de l'extrémité d'entrée. Cette courbure permet de diriger les gaz vers une partie réduite de la section transversale de la face d'entrée 5a du corps catalyseur 5. Le contact du déflecteur constitué par une bilame avec les gaz d'échappement à température croissante, pendant les phases suivant le démarrage du moteur, permet de faire passer progressivement le déflecteur 8 de sa configuration 8'à sa configuration 8"dans laquelle la courbure de la bilame est inversée et épouse pratiquement la courbure de la surface intérieure du cône d'entrée 4a. Dans cette dernière configuration qui correspond à des gaz d'échappement à une température maximale d'équilibre pendant le roulage du véhicule automobile, les gaz d'échappement ne sont guidés que par la paroi du cône d'entrée 4a et se répartissent suivant l'ensemble de la section de la face d'entrée 5a du corps catalyseur 5. Sur la figure 6, on a représenté de manière schématique la déformation d'un déflecteur constitué sous la forme d'une bilame et comportant deux plaques superposées, dans une première configuration 8a sensiblement plane et dans une seconde configuration 8b à l'état déformé courbe, les deux configurations correspondant au contact du déflecteur avec des gaz d'échappement à une première et à une seconde températures ayant entre elles une différence AT. En désignant par a le coefficient de flexion thermique spécifique des plaques (a est de l'ordre de 14. 10-6OK-1), par e l'épaisseur des deux plaques et par L la longueur des plaques entre leur bord fixé sur la paroi du cône d'entrée 4a du dispositif de dépollution et leur bord non fixé, on peut calculer la flèche f ou flèche thermique caractérisant la déformation des plaques par dilatation différentielle par la formule : Lorsque la température des gaz d'échappement du moteur augmente depuis une température peu élevée correspondant au démarrage du moteur, et une température d'équilibre des gaz d'échappement du moteur en fonctionnement, les plaques superposées constituant le déflecteur 8 passent de la première configuration 8'à la seconde configuration 8". On peut déterminer les différentes caractéristiques des plaques constituant le déflecteur 8, pour adapter le déflecteur 8 à la forme du cône d'entrée du dispositif de dépollution, les plaques pouvant être planes ou courbes, dans leur première et dans leur seconde configurations, suivant la forme du cône. Les plaques peuvent également présenter toute autre forme voulue par la forme de la partie d'entrée du dispositif de dépollution catalytique. Pour obtenir la déformation voulue du déflecteur entre sa première et sa seconde configurations, on peut jouer sur l'un au moins des paramètres suivants : coefficient de dilatation thermique des éléments constitutifs de la bilame, épaisseur des plaques, matériau constituant les plaques, longueur des plaques entre leur point de fixation et leur extrémité libre, courbure des plaques ou tout autre paramètre permettant d'agir sur la déformation telle que donnée par la formule mentionnée ci-dessus. L'invention ne se limite pas à une ligne d'échappement de véhicule automobile comportant un dispositif de dépollution catalytique tel que décrit plus haut. L'invention peut s'appliquer aussi bien dans le cas des moteurs à essence que des moteurs diesel turbocompressés ou non, le dispositif de dépollution de la ligne d'échappement, situé immédiatement en aval de la par- tie d'échappement du moteur, pouvant comporter un corps poreux catalyseur d'un type quelconque ou être constitué sous la forme d'un élément de dépollution comportant un corps poreux de filtration, tel qu'un filtre à particules. L'invention s'applique à tout type de véhicule automobile. REVENDICATIONS 1.-Ligne d'échappement d'un véhicule automobile reliée à une partie d'échappement (2) du moteur (1) du véhicule automobile, comportant un dispositif de dépollution (4) des gaz d'échappement constitué par un corps poreux (5) disposé dans une enveloppe de forme globale cylindrique, suivant toute la section transversale de l'enveloppe, caractérisée par le fait que le dispositif de dépollution (4) est relié directement à la partie d'échappement (2) du moteur (1) par une conduite (7) débouchant dans une partie d'entrée (4a) du dispositif de dépollution (4), en vis-à-vis d'une face d'entrée (5a) du corps poreux (5) et que le dispositif de dépollution (4) comporte un déflecteur (8) des gaz d'échappement, disposé dans la partie d'entrée (4a) du dispositif de dépollution (4), réglable de manière à diriger les gaz d'échappement vers une partie de section réduite de la face d'entrée (5a) du corps poreux (5), lorsque les gaz d'échappement sont à basse température, et vers une partie de section croissante de la face d'entrée (5a), lorsque la température des gaz d'échappement augmente. 2.-Ligne d'échappement suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que l'enveloppe du dispositif catalytique (5) comporte une partie d'entrée (4a) ayant la forme d'un cône reliée par une partie d'extrémité d'entrée à faible section à la conduite (7) d'arrivée des gaz d'échappement, et que le déflecteur (6) est constitué sous la forme d'une lame déformable fixée, à l'une de ses extrémités longitudinales, dans le cône d'entrée (4a) du dispositif de dépollution (4), au niveau de son extrémité d'entrée à faible section et comportant une extrémité libre à l'intérieur du cône d'entrée (4a). 3.-Ligne d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le déflecteur est constitué par deux plaques métalliques rapportées et fixées l'une sur l'autre en position superposée et présentant des coefficients de dilatation thermique différents. 4.-Ligne d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le dispositif de dépollution (4) est disposé de manière que son enveloppe cylindrique soit verticale, à l'avant du moteur (1) du véhicule automobile. 5.-Ligne d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le dispositif de dépollution est l'un des dispositifs suivants : dispositif de dépollution catalytique, filtre à particules, pour un moteur à essence ou un moteur diesel.