Brevet FR2921971A1 — publié le 20090410

LIGNE D'ECHAPPEMENT DE MOTEUR DE VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UN DISPOSITIF EMPECHANT UN ECHAUFFEMENT CRITIQUE L'invention concerne une ligne d'échappement de gaz équipée de systèmes de dépollution pour moteur à combustion interne de véhicule automobile fonctionnant en mélange pauvre et, plus particulièrement, un dispositif permettant d'éviter un échauffement critique de certaines parties de la ligne. Les polluants issus de la combustion d'un moteur de véhicule automobile que celui-ci soit un moteur Diesel ou essence, sont majoritairement des hydrocarbures imbrûlés HC, des oxydes d'azote (monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO2), des io oxydes de carbone (monoxyde de carbone CO) et dans le cas des moteurs Diesel et des moteurs à injection directe à essence fonctionnant en mélange pauvre, des particules solides carbonées. Afin de respecter les normes environnementales 15 internationales, la maîtrise des émissions de HC, de CO, de NOx et de particules est impérative et des technologies de post-traitement des gaz d'échappement sont indispensables. La dépollution des véhicules automobiles fait appel à différents systèmes de post-traitement pour éliminer les 20 polluants produits par le moteur : les catalyseurs, et le filtre à particules dans le cas des moteurs Diesel et essence fonctionnant en mélange pauvre. Le filtre à particules permet d'éliminer par filtration les particules solides présentes dans les gaz d'échappement des 25 moteurs Diesel. Il est installé dans la ligne d'échappement du moteur et comporte au moins un élément de filtration fixé dans une enveloppe métallique qui est reliée à la ligne d'échappement. Le support filtrant est constitué, par exemple, d'éléments en 30 matière céramique poreuse à travers lesquels passe le flux des gaz d'échappement et qui retiennent ainsi les particules solides de suie en suspension dans ces gaz. Une fois piégées dans les éléments du filtre, les particules colmatent peu à peu celui-ci. Elles doivent donc être éliminées périodiquement par élévation de la température jusqu'à 450 à 700°C au sein du filtre afin d'entraîner leur combustion. Cette opération est couramment appelée � régénération � du filtre à particules. Elle se pratique sur la ligne même d'échappement, durant l'utilisation du véhicule. Classiquement l'énergie nécessaire à la régénération est fournie par une élévation de la température des gaz io d'échappement. Cette élévation de température est obtenue, par exemple, par des injections multiples de carburant dans les cylindres et, éventuellement, dans le conduit d'échappement qui génèrent une post-combustion dans la phase d'échappement du cycle 15 moteur et une post-combustion catalytique des hydrocarbures imbrûlés sur le catalyseur d'oxydation placé en amont du filtre à particules. Au delà d'une certaine quantité de suies accumulées dans le filtre, la combustion de ces suies engendre des contraintes 20 thermomécaniques importantes qui peuvent, dans certaines conditions, entraîner la détérioration du filtre et même, exceptionnellement, des risques d'échauffement aggravé du véhicule. Sur la figure 1 on a représenté de manière schématique la 25 ligne d'échappement d'un moteur 1 comportant un catalyseur d'oxydation 2 contenu dans une enveloppe métallique tubulaire 3 et un filtre à particule 4 également contenu dans une enveloppe métallique tubulaire 5. Cette enveloppe se prolonge par un cône 6 qui dirige le flux F des gaz dans le 30 conduit d'échappement 7. La demanderesse a reproduit en laboratoire les conditions d'un échauffement aggravé. Cette expérience a montré que seul le cône 6 de sortie des gaz est soumis à une très forte température capable de provoquer des détériorations, ni les enveloppes métalliques, ni le conduit d'échappement qui suit le cône ne sont soumis à des températures anormalement élevées Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif permettant d'éviter un échauffement critique du cône de sortie du filtre à particules. A cet effet,la présente invention a pour objet une ligne d'échappement de moteur de véhicule automobile fonctionnant en mélange pauvre comportant un filtre à particules contenu io dans une enveloppe et un cône disposé entre la sortie du filtre à particules et l'entrée d'un conduit d'échappement dans laquelle ledit cône de sortie comporte un dispositif apte à faire décroître l'énergie thermique du flux gazeux issu du filtre à particules et canalisé par le cône précité vers l'entrée du 15 conduit d'échappement. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention : - Le dispositif apte à faire décroître l'énergie thermique est un échangeur de chaleur. - L'échangeur de chaleur est composé d'ailettes disposées 20 selon les génératrices du cône et fixées sur la surface extérieure de celui-ci. - Le dispositif apte à faire décroître l'énergie thermique est un agencement permettant l'augmentation de la surface d'échange du cône et, selon des variantes de ce mode de 25 réalisation ^ La paroi du cône est pliée de façon à former des ailettes circulaires disposées radialement. ^ La paroi du cône est pliée de façon à former des cannelures disposées longitudinalement selon les 30 génératrices du cône. - Le dispositif apte à faire décroître l'énergie thermique du cône permet d'accélérer la vitesse d'évacuation du flux gazeux sortant du filtre à particules. - Pour ce faire, des ailettes sont fixées sur la paroi interne du cône selon les génératrices de celui-ci de façon à guider le flux gazeux en direction du conduit d'échappement de sortie et, selon des variantes de réalisation de ce type : ^ Les ailettes internes sont fixées à leur périphérie externe sur une virole. io Les ailettes internes sont fixées sur une virole interne formant moyeu d'hélice. ^ La virole est emmanchée dans l'embouchure du cône. ^ La virole est emmanchée à l'entrée du conduit d'échappement. 15 ^ La virole est mobile en rotation. - En variante encore, le cône de sortie comporte simultanément un dispositif permettant d'augmenter la vitesse du flux gazeux et un dispositif permettant d'augmenter les échanges thermiques. 20 - Dans un mode de réalisation de ce type, le cône comporte des ailettes sur la paroi interne et sur la paroi externe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre indicatif en référence aux dessins annexés dans 25 lesquels : La figure 1 est une section axiale d'une ligne d'échappement avec dispositifs de dépollution, La figure 2 est une vue en coupe axiale d'un cône de sortie d'un filtre à particules selon un premier mode 30 de réalisation de l'invention, La figure 3 est une vue en coupe axiale d'un cône de sortie d'un filtre à particules selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, La figure 4 est une vue en coupe axiale d'un cône de sortie d'un filtre à particules selon un troisième mode de réalisation de l'invention et, La figure 5 est une vue de côté d'un cône de sortie d'un filtre à particules selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, io Comme on l'a exposé plus haut, les systèmes de dépollution d'un moteur Diesel ou essence fonctionnant en mélange pauvre se composent, de façon classique, d'un catalyseur 2 contenu dans une enveloppe métallique 3. Le catalyseur est constitué, par exemple, d'une céramique du type cordiérite. 15 Le catalyseur est suivi d'un filtre à particules 4, constitué, par exemple, d'une céramique de type carbure de silicium, également contenu dans une enveloppe métallique 5. La demanderesse a distingué au moins deux raisons susceptibles de provoquer l'échauffement anormal du cône de 20 sortie. Celui-ci peut provenir d'une vitesse d'écoulement faible des gaz très chaud sortant du filtre à particules, phénomène survenant essentiellement en régime de ralenti du moteur. Le rayonnement de la céramique du filtre à particules peut également se trouver en cause. 25 Une première solution consiste donc à favoriser le refroidissement rapide du cône de sortie 6. Dans un premier mode de réalisation représenté figure 2, des ailettes 8, disposées selon les génératrices du cône, sont fixées sur la surface extérieure de celui-ci. Ces ailettes 30 peuvent être métalliques, par exemple, et soudées sur le cône. Le nombre et la surface de ces ailettes, qui jouent le rôle d'échangeur de chaleur, sont calculés en fonction de l'abaissement de température que l'on souhaite obtenir. Le refroidissement du cône peut aussi être obtenu par augmentation de sa surface d'échange. La figure 4 montre un mode de réalisation selon lequel la paroi 9 du cône est pliée de façon à former des ailettes circulaires 10 disposées radialement. On peut également envisager (figure 5) de plier la paroi 11 du cône de façon à former des cannelures 12 disposées longitudinalement selon les génératrices du cône. Une deuxième solution pour éviter l'échauffement anormal du io cône consiste à accélérer la vitesse d'évacuation du flux gazeux sortant du filtre à particules. Pour cela, comme le montre la figure 3, des ailettes 13 sont fixées sur la paroi interne 14 du cône selon les génératrices de celui-ci de façon à guider le flux gazeux en direction du 15 conduit d'échappement de sortie 7. Si cela s'avérait nécessaire, il est possible d'utiliser simultanément un dispositif permettant d'augmenter la vitesse du flux gazeux et un dispositif permettant d'accélérer le refroidissement du cône de sortie, par exemple, en fixant des 20 ailettes sur la paroi interne et sur la paroi externe du cône. En diminuant la température du flux gazeux issu du filtre à particules, les dispositifs que l'on vient de décrire permettent d'éviter la détérioration du cône de sortie du filtre lors des épisodes de surchauffe de celui-ci et donc d'écarter le risque 25 d'incendie du véhicule qui pourrait résulter de cette détérioration. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. C'est ainsi, par exemple, que les ailettes intérieures peuvent 30 être montées sur une virole au lieu d'être fixées sur la paroi interne du cône. La virole peut alors être emmanchée dans l'embouchure du cône ou à l'entrée du conduit d'échappement. Elle peut être externe, c'est-à-dire fixée à la périphérie externe des ailettes, ou interne de façon à former un moyeu d'hélice. On précisera encore que la virole peut être fixe ou mobile en rotation. Dans ce dernier cas, la rotation peut être motorisée et sa vitesse déterminée en fonction de la température du flux gazeux. REVENDICATIONS 1. Ligne d'échappement de moteur (1) de véhicule automobile fonctionnant en mélange pauvre comportant un filtre à particules (4) contenu dans une enveloppe (5) et un cône (6) disposé entre la sortie du filtre à particules et l'entrée d'un conduit d'échappement (7), caractérisée en ce que le cône de sortie (6) comporte un dispositif apte à faire décroître l'énergie thermique du flux gazeux issu du filtre à particules (4) et canalisé par ledit cône io vers l'entrée du conduit d'échappement (7). 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif apte à faire décroître l'énergie thermique est un échangeur de chaleur. 3. Ligne d'échappement selon la revendication 2, 15 caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est composé d'ailettes (8) disposées selon les génératrices du cône (6) et fixées sur la surface extérieure de celui-ci. 4. Ligne d'échappement selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif apte à faire décroître 20 l'énergie thermique est un agencement permettant l'augmentation de la surface d'échange du cône (6). 5. Ligne d'échappement selon la revendication 4, caractérisée en ce que la paroi (9) du cône est pliée de façon à former des ailettes circulaires (10) disposées radialement. 25 6. Ligne d'échappement selon la revendication 4, caractérisée en ce que la paroi (11) du cône est pliée de façon à former des cannelures (12) disposées longitudinalement selon les génératrices du cône. 7. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif apte à faire décroître l'énergie thermique dans le cône (6) permet d'accélérer la vitesse d'évacuation du flux gazeux sortant du filtre à particules. 8. Ligne d'échappement selon la revendication 7, caractérisée en ce que des ailettes (13) sont fixées sur la paroi interne (14) du cône selon les génératrices de celui-ci de façon à guider le flux gazeux en direction du conduit io d'échappement de sortie (7). 9. Ligne d'échappement selon la revendication 7, caractérisée en ce que les ailettes internes sont fixées à leur périphérie externe sur une virole. 10. Ligne d'échappement selon la revendication 7, 15 caractérisée en ce que les ailettes internes sont fixées sur une virole interne formant moyeu d'hélice. 11. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la virole est emmanchée dans 20 l'embouchure du cône (6). 12. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la virole est emmanchée à l'entrée du conduit d'échappement (7). 25 13. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que la virole est mobile en rotation. 14. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisée en ce que le cône de sortie (6) comporte simultanément un dispositif permettant d'augmenter la vitesse du flux gazeux et un dispositif permettant d'augmenter les échanges thermiques.