Brevet FR2874965A1 — publié le 20060310

"Système de traitement des gaz d'échappement comportant un volet mobile" L'invention propose un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, qui comporte un volet mobile permettant d'accélérer la montée en température d'une partie du système de traitement. L'invention propose plus particulièrement un système de traitement des gaz d'échappement G d'un moteur à combustion, qui comporte un élément de traitement agencé dans une chambre et un volet monté mobile dans un tronçon amont de la chambre, par rapport au mouvement des gaz d'échappement, entre : - une position de fonctionnement du moteur en régime établi dans laquelle le volet permet aux gaz d'échappement de circuler à travers de totalité de l'élément de traitement ; et - au moins une position de démarrage du moteur dans laquelle le volet force les gaz d'échappement à circuler en totalité à travers d'une partie de l'élément de traitement. Les 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, les produits issus de la combustion sont du dioxyde de carbone (C02) et de l'eau (H20). Toutefois, dans certaines phases de fonctionnement du moteur, le 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 des 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 stoechiométriques, mais cela n'est pas toujours possible, ni même souhaitable. En effet, lorsque le moteur est froid ou lorsque l'on désire obtenir une puissance maximale, par exemple au cours d'une accélération du véhicule, il est nécessaire de faire fonctionner le moteur avec un mélange riche. Au contraire, lors des phases de décélération ou lorsque le besoin de puissance est faible, on a intérêt à faire fonctionner le moteur à l'aide d'un mélange pauvre pour réduire la consommation de carburant. Depuis plusieurs années déjà, des normes de dépollution imposent de munir les véhicules automobiles de dispositifs catalytiques, ou catalyseur, destinés à traiter chimiquement les gaz d'échappement pour les débarrasser de la majeure partie des substances polluantes qu'ils contiennent. Les dispositifs catalytiques généralement utilisés ont pour première fonction d'achever la combustion du mélange carburé qui n'est qu'incomplète à l'intérieur du moteur. Il s'agit alors de regrouper sur des sites catalytiques des molécules oxydantes et des molécules réductrices, telles que le monoxyde de carbone, 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, appelé monolithe, qui est une structure poreuse présentant une grande superficie de contact avec les gaz d'échappement traversant le pot, et qui est revêtue de diverses substances chimiques ayant des propriétés catalytiques. Afin de favoriser les réactions d'oxydation, il est connu injecter de l'air en amont du catalyseur. La capacité du catalyseur à oxyder le monoxyde de carbone croît au fur et à mesure que sa température augmente. Or, au démarrage du moteur, le catalyseur d'oxydation est froid et ne permet pas d'oxyder le monoxyde de carbone. Ainsi entre le démarrage du moteur et l'instant auquel le catalyseur est amorcé, c'est-à-dire qu'il oxyde la quasi-totalité du monoxyde de carbone qui le traverse, une grande quantité de substances polluantes, notamment de monoxyde de carbone, est rejetée par atmosphère. Cette quantité est d'autant plus grande qu'au démarrage, le moteur fonctionne nécessairement avec un mélange riche. Le catalyseur est amorcé lorsque sa température est supérieure à une température d'amorçage. Dans le but de diminuer la durée d'amorçage du catalyseur, et ainsi la quantité de substances polluantes rejetées dans l'atmosphère, le document US-A-5.655.364 propose des systèmes de chauffage du catalyseur par résistance. Cependant, de tels systèmes de chauffage nécessitent d'augmenter les dimensions du système de traitement, ainsi qu'une consommation élevée d'énergie. Selon un autre mode de chauffage du catalyseur, décrit dans le document GB-A-2.236.690, le système de traitement comporte un volet mobile entre une position de fonctionnement dans laquelle le catalyseur est amorcé, dans laquelle le volet permet aux gaz d'échappement de circuler à travers la totalité du catalyseur, et une position de démarrage dans laquelle le volet force les gaz d'échappement à circuler à travers une partie seulement du catalyseur. Ainsi, lorsque le volet est dans la position de démarrage, les gaz réchauffent uniquement cette partie du catalyseur, permettant ainsi d'atteindre plus rapidement la température d'amorçage du catalyseur, au moins pour cette partie du catalyseur. Cependant, la conception de ce système de traitement provoque des déviations importantes du flux de gaz, ce qui génère des pertes de charge importantes. De plus, les gaz d'échappement sont toujours canalisés vers une même partie du catalyseur, ce qui provoque une usure prématurée de cette partie du catalyseur par rapport au reste du catalyseur. L'invention a pour but de proposer un système de traitement des gaz d'échappement de conception simple limitant les pertes de charges, et permettant de limiter l'usure de chaque partie du catalyseur. Dans ce but, l'invention propose un système de traitement du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le volet est apte à occuper au moins deux positions de démarrage, dans chacune desquelles il force les gaz d'échappement à circuler dans l'une ou l'autre de deux parties de l'élément de traitement. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le volet est monté pivotant dans le tronçon amont de la chambre autour d'un axe orthogonal à l'axe principal du système de traitement ; - l'axe d'articulation du volet est agencé au niveau d'une extrémité aval du volet, par rapport au sens d'écoulement des gaz d'échappement ; - l'extrémité aval du volet est située au niveau d'une face radiale d'extrémité amont de l'élément de traitement ; - le volet est monté coulissant dans le tronçon amont de la chambre selon une direction orthogonale à l'axe principal du système de traitement ; - le volet est apte à recouvrir en partie une face radiale d'extrémité amont de l'élément de traitement lorsqu'il est en position de démarrage. 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 parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique en section axiale du système de traitement conforme à l'invention, dans laquelle le volet est en position de fonctionnement en régime établi ; - la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1, dans laquelle le volet est dans une position de démarrage ; - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1, dans laquelle le volet est monté coulissant par rapport au catalyseur. Pour la description de l'invention, on adoptera à titre non limitatif les orientations axiale longitudinale et radiale selon le repère L, R indiqué aux figures. On adoptera aussi l'orientation d'amont en aval comme étant la direction longitudinale et de droite à gauche en se reportant à la figure 1. Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence. On a représenté au figures un système de traitement 10 des gaz d'échappement G d'un moteur à combustion (non représenté), qui est agencé dans la ligne d'échappement du moteur. Le système de traitement 10 comporte une chambre 12 tubulaire, d'axe principal A longitudinal, qui est traversée par les gaz d'échappement G, et qui comporte successivement un tronçon amont 12a divergent, un tronçon intermédiaire 12b cylindrique et un tronçon aval 12c convergent. Le système de traitement 10 comporte aussi un élément de traitement 14, ou catalyseur, qui est agencé dans le tronçon intermédiaire 12b de la chambre 12. Le catalyseur 14 est de type connu, il comporte une face amont 14a par laquelle les gaz d'échappement G entre dans le catalyseur 14 et une face aval 14b de sortie des gaz d'échappement G. Le catalyseur 14 est constitué de canaux longitudinaux 16 au travers desquels les gaz d'échappement G circulent pour traiter certains polluants tels que le monoxyde de carbone par oxydation. Cependant, l'efficacité du catalyseur 14 pour oxyder le monoxyde de carbone dépend de sa température, et cette efficacité croît au fur et à mesure que la température augmente, jusqu'à ce que la température du catalyseur 14 atteigne la température d'amorçage, pour laquelle le catalyseur oxyde la quasi-totalité des substances polluantes. Or, au démarrage du moteur, la température du catalyseur 14 est relativement basse, ce qui ne permet pas d'oxyder le monoxyde de carbone de manière efficace. Ensuite, la température du catalyseur est augmentée par l'intermédiaire des gaz d'échappement G lorsqu'ils traversent le catalyseur 14. Pour accélérer la montée en température du catalyseur 14, le système de traitement 10 comporte un volet 18 qui est agencé dans le tronçon amont 12a de la chambre 12 et qui est apte à forcer les gaz d'échappement G à circuler dans une partie seulement du catalyseur 14. Les gaz d'échappement G échangent leur chaleur avec une partie plus réduite du catalyseur 14, ce qui permet d'accélérer la montée en température de cette partie seulement du catalyseur 14. Ainsi, cette partie du catalyseur 14 est plus rapidement opérationnelle pour le traitement des gaz d'échappement G. Lorsque la partie du catalyseur 14 a atteint la température d'amorçage, le reste du catalyseur 14 est progressivement réchauffé par conduction de chaleur avec la partie du catalyseur 14 qui est déjà à la température d'amorçage. Selon une variante de réalisation, la montée en température progressive du reste du catalyseur 14 s'effectue aussi en déplaçant progressivement le volet 18 pour permettre à une partie des gaz d'échappement G de traverser le reste du catalyseur 14 qui n'est pas encore à la température d'amorçage. Ainsi, lorsque la totalité du catalyseur 14 a atteint la température d'amorçage, le volet 18 est dans une position de repos, dans laquelle il n'agit pas sur les gaz d'échappement G, permettant ainsi que les gaz d'échappement G circulent à travers la totalité du catalyseur 14. Conformément à l'invention, le volet 18 est monté mobile dans le tronçon d'extrémité avant 12a de la chambre 12, entre la position de repos, et au moins deux positions de démarrage différentes dans chacune desquelles le volet force les gaz d'échappement G à circuler a travers l'une ou l'autre de deux parties du catalyseur 14. Ici, chaque partie du catalyseur 14 qui est associée a l'une des positions de démarrage du volet 18 consiste en une moitié supérieure 14s ou inférieure 14i du catalyseur 14, c'est-à-dire que la section d'entrée de chaque partie 14s, 14i du catalyseur est une moitié de la face amont 14a du catalyseur 14. Cependant, il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation, et que les parties du catalyseur 14 peuvent être de dimensions plus ou moins importantes, c'est-àdire que la face d'entrée de chaque partie du catalyseur 14 est une portion plus ou moins importante de la face amont 14a du catalyseur 14. Les différentes parties du catalyseur 14 sont sélectivement utilisées lors des phases de démarrage du moteur, ce qui permet de réduire la fréquence d'utilisation de chacune de ces parties, et par conséquent, de réduire leur usure, par rapport aux systèmes de traitement de l'art antérieur selon lesquels la même partie du catalyseur 14 est toujours utilisée pour chaque phase de démarrage du moteur. Il est alors possible d'utiliser de manière alternative l'une ou l'autre des deux parties 14s, 14i du catalyseur 14, ou selon un ordre prédéfini, ce qui permet de limiter l'usure de chacune des parties 14s, 14i. Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté aux figures 1 et 2, le volet 18 est monté pivotant dans le tronçon amont 12a de la chambre 12, autour d'un axe B orthogonal à l'axe principal A de la chambre 12. Selon un aspect préféré de ce mode de réalisation de l'invention, l'axe B de pivotement du volet 18 est agencé à l'extrémité aval 18a du volet 18, et au niveau de la face amont 14a du catalyseur 14. Ainsi, l'axe B de pivotement, et par conséquent l'extrémité aval 18a du volet 18, divisent en deux la face amont 14a du catalyseur 14, pour délimiter les faces d'entrée des deux parties 14s, 14i du catalyseur 14. Selon une variante de ce premier mode de réalisation de l'invention (non représentée), l'axe B de pivotement est décalé axialement vers l'amont par rapport à la face amont 14a du catalyseur et par rapport au bord de l'extrémité aval 18a du volet 18. La face amont 14a du catalyseur est alors en forme d'une portion de cylindre dont l'axe principal est l'axe B de pivotement, pour que l'extrémité aval 18a du volet 18 soit la plus proche possible de la face amont 14a du catalyseur 14. Cette variante du premier mode de réalisation de l'invention permet d'avoir de forcer les gaz d'échappement G à circuler dans des portions plus réduites du catalyseur 14, et par conséquent, la montée en température sera encore accélérée. Lorsque le volet 18 est dans sa position de repos, il s'étend dans un plan axial, de manière qu'il ne perturbe que très peu l'écoulement des gaz d'échappement G, et par conséquent, il génère une perte de charge très réduite. Selon un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 3, le volet 18 est monté coulissant par rapport au tronçon amont 12a de la chambre 12, le long de la face d'extrémité amont 14a du catalyseur 14. Le volet 18 a alors la fonction d'un masque qui obture en partie la face amont 14a du catalyseur 14, pour permettre aux gaz d'échappement de ne pénétrer que par la partie non obturée de la face amont 14a du catalyseur 14, définissant ainsi la face d'entrée de la partie 14s, 14i du catalyseur 14 qui sera traversée par les gaz d'échappement G lors de la l'étape de démarrage du moteur. Le volet 18 consiste en une plaque plane d'orientation radiale par rapport à l'axe principal A du système de traitement 10, et il est monté coulissant selon une direction radiale par rapport à la chambre 12, comme on l'a représenté par les flèches F à la figure 3. Le déplacement du volet 18 depuis l'une de ses positions de démarrage vers sa position de repos correspondant au fonctionnement du moteur en régime établi, ou inversement, s'effectue par un coulissement progressif du volet le long de la face amont 14a du catalyseur 14. Cela permet d'augmenter progressivement la taille de la partie du catalyseur 14 qui est traversée par les gaz d'échappement G, et permettant ainsi d"optimiser la montée en température du catalyseur 14. Lorsque le volet 18 est dans sa position de fonctionnement du moteur en régime établi, il est décalé radialement par rapport au catalyseur 14 et il est situé à l'extérieur de la chambre 12. Pour permettre au volet 18 de sortir de la chambre 12, celle-ci comporte des ouvertures 20 qui sont traversées par le volet 18. Le déplacement du volet 18, en coulissement le long de la face amont 14a du catalyseur 14, ou en pivotement autour de l'axe B est obtenu par l'intermédiaire d'actionneurs (non représentés) de type connus, comme par exemple un moteur électrique, un vérin hydraulique ou des éléments magnétiques. Ces actionneurs sont commandés par un dispositif électronique de commande (non représenté), qui est relié à des capteurs de température répartis sur le catalyseur 14. REVENDICATIONS 1. Système de traitement (10) des gaz d'échappement G d'un moteur à combustion, qui comporte un élément de traitement (14) agencé dans une chambre (12) et un volet (18) monté mobile dans un tronçon amont (12a) de la chambre (12), par rapport au mouvement des gaz d'échappement G, entre : - une position de fonctionnement du moteur en régime établi dans laquelle le volet (18) permet aux gaz d'échappement G de circuler à travers la totalité de l'élément de traitement (14) ;et - au moins une position de démarrage du moteur dans laquelle le volet (18) force les gaz d'échappement G à circuler en totalité à travers d'une partie (14s, 14i) de l'élément de traitement (14), caractérisé en ce que le volet (18) est apte à occuper au moins deux positions de démarrage, dans chacune desquelles il force les gaz d'échappement G à circuler dans l'une ou l'autre de deux parties (14s, 14i) de l'élément de traitement (14). 2. Système de traitement (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le volet (18) est monté pivotant dans le tronçon amont (12a) de la chambre (12) autour d'un axe (B) orthogonal à l'axe principal (A) du système de traitement (10). 3. Système de traitement (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'axe (B) d'articulation du volet (18) est agencé au niveau d'une extrémité aval (18a) du volet (18), par rapport au sens d'écoulement des gaz d'échappement G. 4. Système de traitement (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'extrémité aval (18a) du volet (18) est située au niveau d'une face radiale (14a) d'extrémité amont de l'élément de traitement (14). 5. système de traitement (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volet (18) est monté coulissant dans le tronçon amont (12a)de la chambre (12) selon une direction orthogonale à l'axe principal (A) du système de traitement (10). 6. Système de traitement (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le volet (18) est apte à recouvrir en partie une face radiale (14a) d'extrémité amont de l'élément de traitement (14) lorsqu'il est en position de démarrage.