Brevet FR2906302A1 — publié le 20080328

La présente invention concerne en général les lignes d'échappement de véhicule automobile. Plus précisément, l'invention concerne un organe de purification des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, du type comprenant : - une enveloppe externe pourvue d'une entrée des gaz d'échappement, d'une sortie des gaz d'échappement et d'un tronçon intermédiaire si- tué entre l'entrée et la sortie, - au moins un substrat de purification des gaz disposé à l'intérieur du tronçon intermédiaire et présentant une face amont tournée vers l'entrée. Dans un tel organe de purification, la distribution du flux de gaz sur la face amont du substrat n'est pas parfaitement homogène. Le flux de gaz est dirigé préférentiellement vers certaines zones de la face amont, ce qui nuit à la durabilité et à l'efficacité du substrat. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un organe de purification dans lequel la distribution du flux de gaz sur la face amont du substrat de purification soit plus homogène. A cette fin, l'invention porte sur un organe de purification du type pré-cité, caractérisé en ce que l'enveloppe externe comporte un tronçon d'entrée définissant un passage de circulation des gaz depuis l'entrée jusqu'à la face amont du substrat le long d'une ligne centrale, ledit tronçon d'entrée comprenant des moyens pour conférer aux gaz d'échappement une vitesse sui- vant une direction circonférentielle par rapport à la ligne centrale. L'organe de purification peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - les moyens pour conférer aux gaz d'échappement une vitesse sui- vant une direction circonférentielle par rapport à la ligne centrale comprennent au moins une nervure en hélice ménagée dans le tronçon d'entrée et s'enroulant autour de la ligne centrale ; - la ou chaque hélice présente un angle d'inclinaison compris entre 25 et 50 ; - la ou chaque nervure est bombée vers l'intérieur du tronçon d'entrée ; 2906302 2 - la ou chaque nervure est bombée vers l'extérieur du tronçon d'en-trée ; - la ou chaque nervure présente une hauteur comprise entre 2 mm et 6mm; 5 - la ou chaque nervure est obtenue par emboutissage ; - le tronçon d'entrée est divergent et présente perpendiculairement à la ligne centrale des sections croissantes depuis l'entrée jusqu'à la face amont du substrat ; - le tronçon d'entrée présente sur la plus grande partie de sa Ion- 10 gueur, perpendiculairement à la ligne centrale, des sections circulaires, la ligne centrale passant par les centres des sections circulaires ; et -ledit substrat de purification est un filtre à particules ou un organe de purification catalytique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la 15 description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limita-tif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue de côté d'un organe de purification conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective du tronçon d'entrée de l'or- 20 gave de la figure 1 ; et - la figure 3 est une représentation schématique des vitesses de circulation d'une couche périphérique des gaz d'échappement s'écoulant au contact de la paroi du tronçon d'entrée de la figure 2. L'organe de purification 10 représenté sur la figure 1 comporte une 25 enveloppe externe 12 définissant un conduit de passage longitudinal des gaz d'échappement, et des substrats de purification 14 et 16 disposés successivement dans l'enveloppe externe 12. L'enveloppe externe 12 est métallique et comporte, en amont du substrat 14, une entrée de gaz 18, et, en aval du substrat 16, une sortie de 30 gaz 20, les gaz d'échappement circulant à l'intérieur de l'enveloppe depuis l'entrée 18 jusqu'à la sortie 20 en passant à travers successivement les substrats 14 et 16. 2906302 3 L'enveloppe 12 comporte un tronçon intermédiaire 22 tubulaire, par exemple sensiblement cylindrique, à l'intérieur duquel sont logés les substrats 14 et 16. Elle comporte également des tronçons divergent 24 et convergent 26 prolongeant le tronçon intermédiaire 22 respectivement en 5 amont et en aval. L'amont et l'aval sont définis relativement au sens de circulation normal des gaz d'échappement à travers l'organe de purification 10. Le tronçon divergent 24 définit l'entrée 18 et s'évase à partir de celle-ci jusqu'au tronçon cylindrique 22. Le tronçon convergent 26 définit la sortie 10 de gaz 20 et se rétrécit à partir du tronçon cylindrique 22 jusqu'à la sortie de gaz 20. Les substrats 14 et 16 sont, par exemple, respectivement un organe de purification catalytique et un filtre à particules. L'organe de purification catalytique est, par exemple, constitué par une structure perméable aux gaz 15 recouverte de métaux catalytiques favorisant l'oxydation des gaz de conbustion et/ou la réduction des oxydes d'azote. Le filtre à particules comprend un substrat réalisé en un matériau de filtration constitué d'une structure monolithique en céramique ou en carbure de silicium ayant une porosité suffisante pour permettre le passage des gaz d'échappement. Le diamètre des pores 20 est choisi suffisamment petit pour assurer une retenue des particules, et notamment des particules de suie, sur une face amont du filtre. Le filtre à parti-cules peut également être réalisé en une mousse de céramique ou en car-bure de silicium. Il peut également être constitué d'un filtre cartouche ou d'un filtre en métal fritté. Le filtre à particules peut comporter par exemple un en- 25 semble de canaux parallèles répartis en un premier groupe de canaux d'entrée et un second groupe de canaux de sortie. Les canaux d'entrée et de sortie sont disposés en quinconce. Les canaux d'entrée sont débouchants à l'amont du filtre à particules et obturés à l'aval du filtre à particules. Au contraire, les canaux de sortie sont obturés à l'amont du filtre à particules et 30 sont débouchants à l'aval du filtre à particules. Le substrat 14 est délimité vers l'entrée 18 par une face amont 30 sensiblement perpendiculaire à l'axe du tronçon intermédiaire cylindrique 22. 2906302 4 Le tronçon d'entrée 24 définit un passage de circulation des gaz de-puis l'entrée 18 sensiblement jusqu'à la face amont 30 du substrat 14 le long d'une ligne centrale L courbe, représentée par un trait mixte sur la figure 1. La ligne L s'étend par exemple sensiblement suivant un arc de cercle 5 d'environ 120 , l'entrée 18 étant disposée dans un plan incliné par rapport à la face amont 30 du substrat catalytique. Le tronçon d'entrée 24 présente, à partir de l'entrée 18 et sur l'essentiel de sa longueur, des sections circulaires dans des plans perpendiculaires à la ligne L. La ligne centrale L passe par les centres des sections circulaires. A l'entrée 18, la ligne L est sensiblement 10 perpendiculaire au plan dans lequel s'étend l'entrée 18. A l'opposé de l'entrée 18, le tronçon d'entrée 24 présente une partie d'extrémité élargie 31 sensiblement cylindrique, rapportée sur le tronçon intermédiaire 22. Cette partie 31 est coaxiale au tronçon 22 et sensiblement de même diamètre que le tronçon 22. 15 Le diamètre interne de l'entrée 18 est par exemple d'environ 50 mm. Le diamètre interne du tronçon intermédiaire 22 au niveau de la face amont 30 du substrat catalytique est par exemple compris entre 160 mm et 165 mm. La face amont 30 du substrat catalytique est également circulaire, et 20 présente un diamètre légèrement inférieur au diamètre interne du tronçon cylindrique 22. Afin d'améliorer l'homogénéité de la distribution du flux de gaz d'échappement sur la face amont 30 du substrat catalytique, le tronçon d'entrée 24 comporte des moyens pour conférer aux gaz d'échappement une 25 vitesse suivant une direction circonférentielle par rapport à la ligne centrale L. Ces moyens comprennent par exemple, comme le montre la figure 2, une nervure 34 en hélice ménagée dans le tronçon d'entrée et s'enroulant autour de la ligne centrale L. La nervure 34 s'étend sur sensiblement toute la 30 longueur du tronçon d'entrée 24, depuis l'entrée 18 et pratiquement jusqu'à la face amont 30 du substrat catalytique. La nervure forme une hélice d'angle d'inclinaison constant, compris entre 25 et 50 , de préférence entre 30 et 40 , et valant par exemple 32 . 2906302 5 La nervure 34 est bombée vers l'intérieur du tronçon d'entrée 24. Elle présente une hauteur comprise entre 2 mm et 6 mm, et valant par exemple 3 mm. La nervure 34 présente par exemple une section droite semi- 5 circulaire. Alternativement, la nervure 34 peut présenter une section droite rectangulaire, en forme de demi-ovale, en forme de demi-ellipse, ou de toute autre forme permettant de conférer aux gaz d'échappement une vitesse circonférentielle. Des calculs ont été effectués pour évaluer l'influence de la nervure 34 10 sur la distribution du flux de gaz d'échappement sur la face amont 30 du substrat catalytique, et sur la distribution de température sur cette même face amont. Ces calculs ont été effectués pour un débit de gaz d'échappement de 650 kg/h à travers l'organe de purification 10, les gaz d'échappement ayant 15 une température de 680 C à l'entrée 18 de l'organe de purification. Le substrat de purification catalytique 14 considéré présente un diamètre de 163,8 mm, une longueur axiale de 25,4 mm, et un indice de densité de 400/4,5. L'entrée 18, comme indiqué ci-dessus, présente un diamètre intérieur de 50 mm. 20 Les calculs ont été effectués pour plusieurs types d'écoulement des gaz d'échappement à l'entrée 18 de l'organe de purification, et pour plu-sieurs géométries du tronçon d'entrée. Comme indiqué dans le tableau ci-dessus, les calculs ont été effectués : 25 -pour un tronçon d'entrée 24 dépourvu de nervure 34 (cas de réfé- rence) ; - pour un tronçon d'entrée 24 comprenant une nervure 34 en hélice d'angle d'inclinaison variant entre 35 et 50 et de profondeur 3 mm environ (hélice 1) ; 30 - pour un tronçon d'entrée 24 pourvu d'une nervure 34 en hélice d'an- gle d'inclinaison de 30 environ et de profondeur 3 mm environ (hélice 2). Les calculs ont été effectués pour trois types d'écoulement : - écoulement des gaz d'échappement non tourbillonnant ,à l'entrée 18, 2906302 6 - écoulement avec un indice de tourbillonnement de 1 à l'entrée 18, - écoulement avec un indice de tourbillonnement de 1,5 à l'entrée 18. L'indice de tourbillonnement est défini comme étant le rapport entre la vitesse u du gaz dans un plan perpendiculaire à la ligne centrale L, et la 5 vitesse axiale v du gaz parallèlement à la ligne centrale L (voir figure 3). Dans le premier cas (écoulement non tourbillonnant), le flux de gaz d'échappement à l'entrée 18 s'écoule suivant une direction sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel s'inscrit l'entrée 18. Dans le deuxième cas (indice de tourbillonnement 1), la vitesse du gaz selon la ligne centrale L 10 perpendiculairement au plan de l'entrée 18 est sensiblement égale à la vitesse du gaz dans le plan de l'entrée 18. Dans le troisième cas (indice de tourbillonnement 1,5), la vitesse du gaz dans le plan de l'entrée 18 vaut environ 1,5 fois la vitesse axiale du gaz perpendiculairement au plan de l'entrée 18. 15 Le tableau 1 ci-dessous donne, pour chaque géométrie du tronçon d'entrée considérée et pour chaque écoulement de gaz considéré, la distribution de température sur la face amont 30 du substrat catalytique 14. Cette distribution est caractérisée par la température moyenne en degrés C sur la face amont 30, et par le gradient de température sur cette face amont. La 20 température moyenne est indiquée en premier, le gradient étant indiqué en second et étant séparé de la température moyenne par un slash. On définit le gradient ici comme étant la différence entre le maximum de température et le minimum de température sur la face amont 30. Tableau 1 Ecoulement Indice de Indice de non tourbillon- tourbillon- tourbillonnant nement 1 nement 1.5 Cas de référence (sans hélice) 664/37 663/32 663/23 Hélice 1 668/21 668/79 669/30 Hélice 2 668/30 668/68 668/32 25 2906302 7 Le tableau 1 met en évidence que la présence de la nervure en hélice 34 sur le tronçon d'entrée a pour effet d'augmenter la température moyenne sur la face amont 30 de quatre à six degrés C, selon le type d'écoulement. Dans certains cas, cette augmentation de température s'accompagne d'une 5 réduction du gradient de température, et, dans d'autres cas, d'une augmentation du gradient de température sur ladite face amont 30. Le tableau 2 donne l'indice de distribution de température 'y sur la face amont 30 du substrat catalytique pour les différentes géométries du tronçon d'entrée considéré, et pour les différents types d'écoulement. L'indice de 10 distribution y est défini par l'équation ci-dessous : y = 1 - [5(Vi - Vm)]/[2SVm], avec Vm, vitesse moyenne des gaz d'échappement au niveau de la face amont 30, moyennée sur toute la face amont 30, 15 Vi, vitesse des gaz d'échappement en un point i de la face amont 30, l'intégrale dans la formule ci-dessus étant réalisée sur toute la surface de la face amont 30, S, surface de la face amont 30. Comme le montre le tableau 2 ci-dessous, la présence de la nervure 20 en hélice 34 a pour effet d'augmenter l'indice de distribution y de 0,03 à 0,11 en fonction des cas considérés. Tableau 2 Ecoulement Indice de Indice de non tourbillon- tourbillon- tourbillonnant nement 1 nement 1.5 Cas de référence (sans hélice) 0.91 0.882 0.857 Hélice 1 0.94 0.961 0.967 Hélice 2 0.95 0.97 0.962 La nervure 34 est obtenue de préférence par emboutissage. Dans ce 25 cas, comme le montre la figure 2, le tronçon d'entrée 24 de l'enveloppe ex- terne est formée de deux demi-coquilles concaves 36 et 38 assemblées bord à bord. Chacune des demi-coquilles 36 et 38 est délimitée par un bord 2906302 8 semi-circulaire 40 destiné à former l'entrée 18, par un bord semi-circulaire ou autre 42 destiné à se raccorder sur le tronçon intermédiaire tubulaire 22, et par deux bords arqués 44 et 46 reliant les bords semi-circulaires 40 et 42 l'un à l'autre. Les bords arqués 44 et 46 forment des nervures en saillie vers 5 l'extérieur de la demi-coquille et s'incrivent dans un même plan P destiné à former le plan de contact avec l'autre demi-coquille. Les demicoquilles 36 et 38 sont en contact l'une avec l'autre le long des bords 44 et 46. La ligne centrale L passe dans le plan de contact P. Chacune des demi-coquilles 36 et 38 est obtenue par emboutissage d'une tôle métallique en une ou plusieurs 10 étapes. La nervure 34 est formée pendant l'emboutissage des demi- coquilles 36 et 38. Comme le montre la figure 2, chaque spire de la nervure en hélice 34 est divisée en deux parties, l'une de ces parties étant réalisée sur la demi-coquille 36 et l'autre de ces parties étant réalisée sur la demi-coquille 38. 15 Une fois les demi-coquilles 36 et 38 assemblées, les deux parties sont placées dans la continuité l'une de l'autre et constituent une spire de la nervure 34. Après assemblage des deux demi-coquilles 36 et 38 l'une à l'autre, la partie élargie 31 du tronçon d'entrée 24 est rapportée sur le tronçon inter- 20 médiaire 22 et fixée à ce tronçon intermédiaire le long des bords semi- circulaires 42 par tous moyens adaptés, par exemple par soudage. Dans un autre mode de réalisation, l'enveloppe externe 12 entière est formée de deux demi-coquilles embouties. Chaque demi-coquille comprend ainsi une moitié du tronçon d'entrée 24, une moitié du tronçon intermédiaire 25 22 et une moitié du tronçon de sortie 26. Les demi-coquilles sont assemblées bord à bord. Comme précédemment, la nervure en hélice 34 est formée lors de l'emboutissage des deux demi-coquilles. Le fonctionnement de l'organe de purification 10 va être détaillé ci-dessous. 30 Les gaz d'échappement issus du moteur thermique du véhicule auto- mobile pénètrent dans l'organe de purification 10 par l'entrée 18. Les gaz possèdent, au niveau de l'entrée 18, au moins une composante de vitesse v parallèle à la ligne centrale L, et, dans certains cas, une composante de vi- 2906302 9 tesse u dans le plan de l'entrée 18. La couche de fluide 48 circulant au contact de la paroi du tronçon d'entrée 24 est guidée par la nervure 34 selon une trajectoire hélicoïdale, ce qui lui confère une vitesse suivant une direction circonférentielle par rapport à la ligne centrale L. Dans le cas où le fluide 5 entre dans le tronçon d'entrée 24 sans vitesse circonférentielle, la nervure 34 confère à la couche de fluide 48 une vitesse circonférentielle dont elle était dépourvue au départ. Dans le cas où le gaz pénètre par l'entrée 18 avec une vitesse circonférentielle, la nervure 34 contribue au minimum à maintenir cette vitesse circonférentielle pour les veines de fluide 48, ou, le 10 cas échéant, à accroître cette vitesse circonférentielle. Du fait de ce mouvement de tourbillonnement, la distribution du flux de gaz sur la face amont 30 du substrat catalytique est très homogène. L'organe de purification décrit ci-dessus présente de multiples avantages. 15 Du fait qu'il comporte des moyens pour conférer aux gaz d'échappement une vitesse suivant une direction circonférentielle par rapport à la ligne centrale du tronçon d'entrée, la distribution du flux de gaz sur la face amont du substrat catalytique est beaucoup plus homogène. Le mouvement de tourbillonnement du flux de gaz autour de la ligne centrale L contribue non 20 seulement à homogénéiser le flux de gaz mais également à augmenter la température moyenne de la face amont 30, et donc à augmenter l'efficacité du substrat catalytique. Du fait que le gaz est distribué de manière homogène sur la face amont, l'encrassement du substrat catalytique est homogène sur toute cette 25 face, ce qui contribue à augmenter la durée de vie de ce substrat. Ces avantages sont obtenus de manière particulièrement simple et peu coûteuse en ménageant une simple nervure hélicoïdale dans le tronçon d'entrée de l'enveloppe externe. Cette nervure peut être obtenue de manière particulièrement commode, lors de l'emboutissage du tronçon d'entrée, ou 30 de l'enveloppe externe. L'organe de purification décrit ci-dessus peut présenter de multiples variantes. 2906302 10 La nervure en hélice 34 peut ne pas être bombée vers l'intérieur du tronçon d'entrée, mais plutôt vers l'extérieur. Elle possède, dans ce cas, les mêmes caractéristiques géométriques que décrit ci-dessus (pas, profondeur, section). 5 La nervure hélicoïdale 34 peut ne pas être formée par emboutissage, mais plutôt par galetage ou par tout autre procédé de déformation de matériau métallique. L'orifice d'entrée 18 peut présenter un diamètre intérieur différent de 50 mm. De même, la face amont 30 du substrat catalytique peut présenter 10 un diamètre qui n'est pas compris entre 160 mm et 165 mm. L'organe de purification peut ne pas comprendre un substrat catalytique puis un filtre à particules disposés successivement dans l'enveloppe externe. Il peut ne comprendre que le substrat catalytique 14, sans filtre à particules 16. Il peut également ne comprendre que le filtre à particules 16, 15 sans substrat catalytique 14. Dans ce dernier cas, le tronçon d'entrée 24 débouche, au niveau de la face amont du filtre à particules 16, ce qui contribue à homogénéiser la distribution du flux de gaz d'échappement sur la face amont du filtre à particules 16. II peut également comprendre un filtre à particules placé en amont d'un substrat catalytique. Ici encore, le tronçon d'en- 20 trée débouche au niveau de la face amont du filtre à particules, ce qui contribue à homogénéiser la distribution du flux de gaz sur la face amont de ce filtre à particules. La nervure 34 ne forme pas nécessairement une hélice continue. La nervure 34 peut ainsi former plusieurs portions d'hélice séparées les unes 25 des autres par des zones du tronçon d'entrée 24 dépourvues de nervure. Le tronçon d'entrée 24 peut également comporter deux nervures ou plus, s'enroulant en hélice parallèlement les unes aux autres autour de la ligne centrale L. Ces hélices peuvent être de même pas ou être de pas légèrement 30 différents. De même, ces nervures 34 parallèles peuvent être de section et de profondeur identiques, ou de section et de profondeur différentes. 2906302 11 Chaque nervure en hélice 34 peut présenter un pas constant, ou peut présenter un pas variable quand on la parcourt depuis l'entrée 18 jusqu'à la face amont 30 du substrat. La nervure en hélice 34 peut ne pas s'étendre jusqu'à la face amont 5 30 du substrat 14 mais s'arrêter légèrement à distance de ladite face. Le tronçon d'entrée 24 ne présente pas nécessairement: une forme arquée telle que représentée sur les figures 1 et 2. Il peut par exemple présenter une forme tronconique, par exemple symétrique de celle du tronçon de sortie 26. II peut ne pas comprendre de partie d'extrémité élargie 31, la 10 section du tronçon 24 s'élargissant progressivement, sans décrochement, jusqu'à atteindre la section de la partie intermédiaire 22. Le substrat 14 peut ne pas être de section circulaire, mais plutôt ovale ou oblongue (type racetrack). REVENDICATIONS 1. Organe de purification des gaz d'échappement d'un véhicule auto-mobile, cet organe (10) comprenant : - une enveloppe externe (12) pourvue d'une d'entrée (18) des gaz d'échappement, d'une sortie (20) des gaz d'échappement et d'un tronçon intermédiaire (22) situé entre l'entrée (18) et la sortie (20), - au moins un substrat de purification (14) des gaz disposé à l'intérieur du tronçon intermédiaire (22) et présentant une face amont (30) tournée vers l'entrée (18) ; caractérisé en ce que l'enveloppe externe (12) comporte un tronçon d'entrée (24) définissant un passage de circulation des gaz depuis l'entrée (18) jus-qu'à la face amont (30) du substrat (14) le long d'une ligne centrale (L), ledit tronçon d'entrée (24) comprenant des moyens (34) pour conférer aux gaz d'échappement une vitesse suivant une direction circonférentielle par rap- port à la ligne centrale (L). 2. Organe de purification selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour conférer aux gaz d'échappement une vitesse suivant une direction circonférentielle par rapport à la ligne centrale (6) comprennent au moins une nervure en hélice (34) ménagée dans le tronçon d'entrée (24) et s'enroulant autour de la ligne centrale (L). 3. Organe de purification selon la revendication 2, caractérisé en ce que la ou chaque hélice présente un angle d'inclinaison compris entre 25 et 50 . 4. Organe de purification selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la ou chaque nervure (34) est bombée vers l'intérieur du tronçon d'entrée (24). 5. Organe de purification selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la ou chaque nervure (34) est bombée vers l'extérieur du tronçon d'entrée (24). 6. Organe de purification selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la ou chaque nervure (34) présente une hauteur comprise entre 2 mm et 6 mm. 2906302 13 7. Organe de purification selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la ou chaque nervure (34) est obtenue par emboutissage. 8. Organe de purification selon l'une quelconque des revendications 1 5 à 7, caractérisé en ce que le tronçon d'entrée (24) est divergent et présente perpendiculairement à la ligne centrale (L) des sections croissantes depuis l'entrée (18) jusqu'à la face amont (30) du substrat (14). 9. Organe de purification selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tronçon d'entrée (24) présente sur la plus grande partie de sa Iongueur, perpendiculairement à la ligne centrale (L), des sections circulaires, la ligne centrale (L) passant par les centres des sections circulaires. 10. Organe de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit substrat de purification est un filtre à parti-cules (16) ou un organe de purification catalytique (14).