Brevet FR2878895A1 — publié le 20060609

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne une ligne d'échappement pour véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement une ligne d'échappement comprenant une conduite de circulation des gaz d'échappement qui s'étend à partir de la sortie d'un convertisseur catalytique jusqu'à une sortie vers l'atmosphère et au moins un volume traversé par ladite conduite de circulation, et adapté à atténuer les pulsations de pression des gaz d'échappement. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE De nos jours, afin de réduire les nuisances sonores dues aux pulsations de pression des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement d'un véhicule automobile à moteur à combustion interne, il est connu de mettre en place une architecture de ligne d'échappement comportant des volumes, tels que des silencieux ou des pots de détentes, et des longueurs de tubes. Cette architecture permet de réduire l'amplitude des pulsations de pression et de modifier les fréquences de résonance de ces ondes de pression à l'échappement. Lorsque le moteur à combustion interne du véhicule est une source très importante de bruit, les volumes constituant la ligne d'échappement, tels que le pot de détente et le silencieux, doivent être de tailles importantes. La taille de ces volumes pose un problème d'embarquement de la ligne d'échappement sur le véhicule, ainsi qu'un surcoût de fabrication d'une ligne d'échappement. En outre, la taille importante des volumes pose un problème de contre-pression importante dans la ligne d'échappement ce qui pénalise les performances du moteur. II s'agit alors de faire un compromis entre les performances souhaitées du moteur et les bruits de bouche d'échappement. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose une ligne d'échappement dans laquelle le niveau de bruit est abaissé efficacement directement à la source, au plus près de la sortie du convertisseur catalytique, sans pénaliser les performances de ce convertisseur, ainsi que les performances du moteur. A cet effet, on propose selon l'invention une ligne d'échappement telle que définie en introduction dans laquelle il est prévu des moyens de refroidissement des gaz d'échappement disposés entre la sortie du convertisseur catalytique et la sortie vers l'atmosphère. Ainsi, grâce aux moyens de refroidissement selon l'invention, on réduit largement les pulsations de pression des gaz d'échappement juste après la sortie du convertisseur catalytique. L'architecture de la ligne d'échappement selon l'invention qui permet de réduire les nuisances sonores, est simplifiée en comportant de plus petits volumes. Selon un premier mode de réalisation de la ligne d'échappement conforme à l'invention, les moyens de refroidissement sont situés entre la sortie du convertisseur catalytique et l'entrée du premier volume. Ainsi, un refroidissement amélioré de cette première zone permet de baisser le niveau de bruit de bouche d'échappement et d'améliorer les performances du moteur. Selon un deuxième mode de réalisation de la ligne d'échappement conforme à l'invention, les moyens de refroidissement sont situés entre l'entrée du premier volume et la sortie vers l'atmosphère. Ainsi, un refroidissement amélioré de cette deuxième zone permet de baisser efficacement le niveau de bruit de bouche d'échappement résiduel en sortie. D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de la ligne d'échappement selon l'invention sont les suivantes: - les moyens de refroidissement comprennent des ailettes disposées sur la conduite de circulation des gaz d'échappement. Ces ailettes permettent d'augmenter les échanges thermiques en augmentant la surface d'échange. lesdites ailettes peuvent être des ailettes axiales. lesdites ailettes peuvent être des ailettes en spirales. les moyens de refroidissement comprennent des profils aérodynamiques de type déflecteurs d'air répartis le long de la ligne d'échappement. Ces profils favorisent au maximum l'écoulement de l'air ambiant le long de ladite ligne d'échappement. - les moyens de refroidissement comprennent un échangeur thermique équipant le ou les volume(s). Le refroidissement s'effectue au sein même du ou des volumes. L'invention concerne également un véhicule automobile à moteur à combustion interne qui comprend une ligne d'échappement telle que décrite ci-dessus. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés: -la figure 1 est un schéma de principe d'un moteur suralimenté et d'une ligne d'échappement selon l'invention; - la figure 2 est un schéma de principe d'un moteur atmosphérique et d'une ligne d'échappement selon l'invention; - la figure 3A est une vue en perspective d'une conduite de circulation des gaz d'échappement d'un premier mode de réalisation de la ligne d'échappement selon l'invention; la figure 3B est une vue de face de la conduite de circulation des gaz d'échappement de la figure 3A; - la figure 3C est une vue de coté de la conduite de circulation des gaz d'échappement d'un deuxième mode de réalisation de la ligne d'échappement selon l'invention; - la figure 4 est un schéma synoptique illustrant un troisième mode de réalisation de la ligne d'échappement selon l'invention; - la figure 5 est une vue schématique en perspective d'un quatrième mode de réalisation de la ligne d'échappement selon l'invention; -la figure 6 est un graphique présentant la pression à l'échappement en fonction de l'angle du vilebrequin d'un véhicule automobile à moteur à combustion interne équipé ou non d'une ligne d'échappement selon l'invention; -la figure 7 est un ensemble de quatre graphiques présentant le bruit à l'échappement et des harmoniques de ce bruit en fonction du régime du moteur à combustion interne d'un véhicule automobile équipé ou non d'une ligne d'échappement selon l'invention; -la figure 8 est un ensemble de trois graphiques présentant les performances du moteur à combustion d'un véhicule automobile équipé ou non d'une ligne d'échappement selon l'invention, en fonction du régime de ce moteur; Préliminairement, on notera que d'une figure à l'autre, les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation de l'invention seront, dans la mesure du possible, référencés par les mêmes signes de références et ne seront pas décrits à chaque fois. Sur les figures 1 et 2, on a représenté, de manière schématique, la structure générale d'un moteur à combustion interne 10;10' et la ligne d'échappement 50, d'un véhicule automobile 1. Ce moteur comporte une chambre de combustion 11 pourvue ici de quatre cylindres 11A. Les cylindres 11A de la chambre de combustion 11 sont alimentés en air frais par un répartiteur d'admission 12 lui-même alimenté en air frais par une conduite d'admission 18. Dans le cas d'un moteur suralimenté 10 (voir figure 1) la conduite d'admission 18 passe par un dispositif de suralimentation de type turbocompresseur 30. Un collecteur d'échappement 13 récupère les gaz d'échappement issus de la combustion. En sortie du collecteur d'échappement 13 se trouve une conduite d'évacuation 20 qui envoie les gaz d'échappement vers un convertisseur catalytique 14. Dans le cas d'un moteur suralimenté 10 (voir figure 1) la conduite d'évacuation 20 passe également par le dispositif de suralimentation de type turbocompresseur 30. Les gaz d'échappement sont ensuite traités par le convertisseur catalytique 14. En effet ces gaz d'échappement contiennent des substances polluantes, telles que les oxydes d'azote (Nox), les hydrocarbures imbrûlés (HC), le monoxyde de carbone (CO), qu'il est nécessaire de traiter avant de les évacuer dans l'atmosphère. Le convertisseur catalytique 14 permet d'oxyder les molécules 30 réductrices que sont le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC). Puis, il est prévu une ligne d'échappement 50 qui s'étend entre la sortie du convertisseur catalytique 14 et la sortie vers l'atmosphère 17. Cette ligne d'échappement 50 comprend une conduite de circulation des gaz d'échappement 40 et au moins un volume traversé par ladite conduite de circulation des gaz d'échappement. Ici, comme le montrent les figures 1 et 2, il est prévu dans la ligne 5 d'échappement 50 deux volumes 15 et 16 successifs. Le premier volume est un pot de détente 15 et le second volume est un silencieux 16. Le pot de détente 15 traite les amplitudes de la pression des gaz d'échappement, tandis que le silencieux traite principalement les fréquences de ces pulsations de pression, c'est-à-dire les bruits de bouche d'échappement. Cette ligne d'échappement 50 comprend ainsi deux zones, la première zone 51 est comprise entre la sortie du convertisseur catalytique 14 et l'entrée du pot de détente 15 et la deuxième zone 52 est comprise entre l'entrée du pot de détente 15 et la sortie 17. Cette deuxième zone incorpore aussi le silencieux 16. Avantageusement, selon l'invention, la ligne d'échappement 50 est équipée de moyens de refroidissement 60. Selon un premier mode de réalisation représenté sur les figures 3A et 3B, ces moyens de refroidissement 60 peuvent être des ailettes longitudinales 61 ou, comme le montre la figure 3C, des ailettes hélicoïdales 62 disposées sur la conduite de circulation des gaz d'échappement 40 de la ligne d'échappement. Ces ailettes permettent d'augmenter les échanges thermiques, entre les gaz d'échappement et l'air extérieur autour de la dite conduite de circulation, en augmentant la surface d'échange. On peut prévoir selon l'invention que seule la conduite de circulation des gaz d'échappement 40 de la première zone 51 ou de la deuxième zone 52 soit équipée desdites ailettes 61;62. On peut aussi envisager que la conduite de circulation des gaz d'échappement 40 des deux zones 51;52 soit pourvue desdites ailettes 61;62. La figure 4 montre un autre mode de réalisation des moyens de 30 refroidissement 60 selon lequel ils comprennent des profils aérodynamiques 63 répartis le long de la ligne d'échappement 50 située sous le plancher 3 du véhicule 1, entre les roues 2 avant et arrière. Les profils aérodynamiques 63 sont par exemple des déflecteurs d'air qui favorisent au maximum l'écoulement de l'air ambiant le long de ladite ligne d'échappement 50. Sur la figure 5 on a représenté un autre mode de réalisation des moyens de refroidissement 60 selon lequel il est prévu un échangeur thermique 64 pour un volume 15;16 de la ligne d'échappement 50. Cet échangeur thermique 64 peut être de type échangeur de chaleur. Dans ce cas, le refroidissement s'effectue au sein même dudit volume 15;16, l'air ambiant extérieur 70 étant forcé de passer dans ce dernier. La figure 6 représente les courbes de la pression instantanée à l'échappement en sortie d'un moteur suralimenté, en fonction de l'angle du vilebrequin du moteur dont la ligne d'échappement est équipée ou non des moyens de refroidissement dans la première zone de ladite ligne d'échappement. Comme on peut le voir sur cette figure, en l'absence de moyens de refroidissement de la première zone, la température de la ligne d'échappement est de l'ordre de 600 C. En sortie de moteur, la courbe en trait plein montre que les amplitudes ou variations de pression instantanée peuvent atteindre des valeurs importantes de l'ordre de 600 mbar avec des valeurs de pression instantanée proches de 1500 mbar. Les pulsations de pression des gaz d'échappement à la sortie du moteur ont une forte amplitude. Cette amplitude diminue tout au long de la ligne d'échappement et plus particulièrement au passage du convertisseur catalytique et de chaque volume de la ligne d'échappement. Le premier volume traversé par les gaz d'échappement en sortie du collecteur d'échappement du moteur est le convertisseur catalytique situé en amont de la ligne d'échappement. Lorsqu'on met en place, selon l'invention, des moyens de refroidissement 60 dans la première zone 51 de la ligne d'échappement 50 permettant d'obtenir un refroidissement de 100 C, on observe sur la courbe en pointillés de la figure 6 que les pulsations de pression des gaz d'échappement à la sortie du moteur 10;10' diminuent de 150 mbar. Sur le premier graphique de la figure 7, on a représenté des courbes de variation du bruit de bouche d'échappement d'un moteur suralimenté dont la première zone de la ligne d'échappement est équipée ou non de moyens de refroidissement, en fonction du régime de ce moteur. Ainsi, on observe sur ce graphique que grâce à l'invention, une amélioration de refroidissement de 100 C de la première zone 51 de la ligne d'échappement 50 permet (comme le montre la courbe en pointillés du premier graphique de la figure 7) de baisser le niveau de bruit de bouche d'échappement à la sortie 17. Cette baisse du niveau de bruit de bouche d'échappement est la conséquence d'une diminution de l'amplitude des variations de pressions à l'échappement. La baisse de bruit en sortie de ligne d'échappement obtenue est d'environ 3 à 5 dB, une diminution de 3 dB correspondant à une amplitude de pulsation de pression réduite de moitié. Cette baisse du niveau de bruit de bouche d'échappement est confirmée sur les trois derniers graphiques de la figure 7 représentant trois harmoniques de ce bruit en fonction du régime du moteur. La superposition de tous les harmoniques constitue le bruit. Il est donc cohérent d'observer une diminution de la valeur de ces harmoniques comme l'illustre les courbes en pointillés. Sur la figure 8, on a représenté le couple du moteur, le remplissage en gaz frais des cylindres et la proportion des gaz brûlés résiduels, en fonction du régime d'un moteur suralimenté dont la première zone de la ligne d'échappement est équipée ou non de moyens de refroidissement. On observe sur cette figure 8 que grâce aux moyens de refroidissement selon l'invention, une amélioration de refroidissement de 100 C de la première zone 51 permet (comme le montre les courbes en pointillés) d'augmenter le couple et d'avoir un taux de remplissage des cylindres en gaz frais plus important tandis que la proportion des gaz brûlés résiduels par rapport à ceux évacués diminue. Ainsi, selon l'invention, les moyens de refroidissements 60 de la première zone de la ligne d'échappement 50 permettent une meilleure vidange de la chambre de combustion 11 et donc des gains de l'ordre de 3 N.m à un régime moteur de 3000 tr/min. Les performances du moteur suralimenté 10, fonction du couple, du taux de remplissage et de la proportion des gaz brûlés résiduels, sont donc améliorées. Ces gains sont en général plus importants sur moteur suralimenté 10 que sur moteur atmosphérique 10'. En effet, la turbine du turbocompresseur 30 permet un rapport de détente important. Ce rapport de détente important augmente les performances dudit moteur.. Afin de diminuer encore l'amplitude des variations de pression des gaz d'échappement après le passage par le convertisseur catalytique et la première zone de la ligne d'échappement 50, on utilise un pot détente 15 en entrée de la deuxième zone 52 de la ligne d'échappement 50. Au delà du pot de détente 15, les variations de pressions ne sont plus suffisantes pour avoir un rôle significatif sur les performances du moteur 10;10'. Elles ne génèrent plus que du bruit qui est traité dans la deuxième zone 52 de la ligne d'échappement 50. Selon l'invention, les moyens de refroidissements 60 de la deuxième zone 52 de la ligne d'échappement 50 permettent alors de réduire encore les amplitudes des pulsations de pression issues de la première zone 51. Ainsi le niveau sonore, en sortie de ladite ligne d'échappement vers l'atmosphère, résultant des ondes de pression traitées selon l'invention, est diminué efficacement de manière à respecter la réglementation mise en place. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Ligne d'échappement (50) d'un véhicule automobile (1) à moteur à combustion interne (10;10') comprenant une conduite de circulation des gaz d'échappement (40) qui s'étend à partir de la sortie d'un convertisseur catalytique (14) jusqu'à une sortie (17) vers l'atmosphère et au moins un volume (15;16) traversé par ladite conduite de circulation, et adapté à atténuer les pulsations de pression des gaz d'échappement, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de refroidissement (60) des gaz d'échappement disposés entre la sortie du convertisseur catalytique (14) et ladite sortie vers l'atmosphère (17). 2. Ligne d'échappement (50) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement (60) sont situés entre la sortie convertisseur catalytique (14) et l'entrée dudit volume (15;16). 3. Ligne d'échappement (50) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement (60) sont situés entre l'entrée dudit volume (15 15;16) et ladite sortie vers l'atmosphère (17) . 4. Ligne d'échappement (50) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement (60) comprennent des ailettes (61;62) disposées sur la conduite de circulation des gaz d'échappement (40). 5. Ligne d'échappement (50) selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites ailettes disposées sur ladite conduite de circulation sont des ailettes axiales (61). 6. Ligne d'échappement (50) selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites ailettes disposées sur ladite conduite de circulation sont des ailettes en spirales (62). 7. Ligne d'échappement (50) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement (60) comprennent des profils aérodynamiques (63) de type déflecteurs d'air répartis le long de la ligne d'échappement (50). 8. Ligne d'échappement (50) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement (60) comprennent un échangeur thermique (64) équipant ledit volume (15;16). 9 _.z 9. Véhicule automobile (1) à moteur à combustion interne (10;10') qui comprend une ligne d'échappement (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.