Brevet FR2926594A1 — publié le 20090724

Circuit d'échappement pour moteur à combustion interne doté d'un système de double suralimentation. La présente invention concerne un circuit d'échappement de gaz de combustion pour un moteur à combustion interne doté d'un système de double suralimentation d'air. L'invention concerne plus particulièrement un circuit d'échappement pour moteur à combustion interne doté d'un système de double suralimentation d'air par turbocompresseur, dans lequel les turbines des turbocompresseurs sont agencées en parallèle entre elles dans le flux de gaz d'échappement, et comprenant un dispositif de dépollution des gaz d'échappement. D'une manière générale, les moteurs à combustion interne nécessitent l'emploi d'un système de suralimentation pour obtenir des performances d'un niveau satisfaisant. Dans la plupart des cas, cette suralimentation est obtenue par un turbocompresseur qui utilise l'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour entraîner un compresseur, ce dernier fournissant alors de l'air à une pression plus élevée à l'admission moteur. Cependant, les turbocompresseurs ont un rendement favorable sur une plage de fonctionnement moteur limité et ne permettent pas de réaliser une suralimentation satisfaisante sur la plage complète d'utilisation du moteur. C'est pourquoi, certaines applications moteur, notamment dans l'industrie automobile, utilisent deux turbocompresseurs montés en parallèle et fonctionnant séquentiellement, c'est-à-dire que l'un des turbocompresseurs tourne en permanence alors que l'autre n'est connecté qu'au-delà d'un certain seuil. La turbine du premier turbocompresseur est directement connectée au collecteur d'échappement du moteur, tandis que la turbine du second turbocompresseur est connectée au collecteur d'échappement par l'intermédiaire d'une vanne d'isolement. En mode mono-turbo, seul le premier turbocompresseur est actif, la vanne d'isolement du deuxième turbocompresseur étant fermée. Lorsque le régime et la charge atteignent un certain seuil, débute une phase de transition pour amener le moteur en mode bi-turbo. La vanne d'isolement de la turbine du second turbocompresseur s'ouvre progressivement et la turbine entraîne alors le compresseur du second turbocompresseur. Lorsque cette phase de transition est terminée, le moteur est en mode bi-turbo dans lequel la vanne d'isolement est complètement ouverte. Les deux turbocompresseurs fonctionnent alors en parallèle. Par ailleurs, pour limiter les émissions de polluants et ainsi respecter les normes, il est indispensable de positionner en aval des soupapes d'échappement du moteur un catalyseur. Ce système de dépollution permet de convertir les produits de combustion en substances non polluantes. Les réactions d'oxydo-réduction se produisant à l'intérieur du catalyseur nécessitent des températures élevées. Le catalyseur ne devient véritablement efficace qu'à partir d'une certaine température de fonctionnement couramment nommée température d'amorçage. Pour les catalyseurs trois voies, cette température est de l'ordre d'environ 300°C. Les meilleurs rendements sont obtenus à des températures comprises entre 400°C et 800°C. La plage de température des catalyseurs à accumulateur de NOx se situe ente 200°C et 500°C et est donc plus basse que pour les catalyseurs trois voies. On comprend qu'il est favorable de positionner le catalyseur au plus près de la sortie moteur pour profiter d'une température de gaz élevée et obtenir un chauffage du catalyseur plus efficace. On distingue généralement deux architectures de catalyse : -Une architecture à catalyseur unique lorsqu'on parvient à embarquer tout le volume nécessaire à la dépollution au plus près des soupapes. -Une architecture avec un précatalyseur embarqué près du moteur combiné à un catalyseur placé sous le véhicule, lorsqu'on ne parvient pas à placer le volume nécessaire à la dépollution près des soupapes. On scinde alors le volume en deux et le précatalyseur permet d'amorcer très tôt la dépollution. Le catalyseur placé sous le véhicule est le catalyseur principal. Dans un moteur à double suralimentation avec un agencement du circuit d'échappement tel que les deux turbocompresseurs sont montés en parallèle, la ligne d'échappement peut être totalement ou partiellement dédoublée (configuration en � Y �) à partir des turbocompresseurs. Dans ce cas, on ne parvient pas à placer le volume nécessaire à la dépollution près des soupapes et un agencement inspiré de la deuxième architecture est requis. On connaît alors une première disposition précatalyseurs / catalyseur principal dans laquelle la jonction des conduits d'échappement est réalisée à la suite des sorties des turbines des turbocompresseurs pour conduire les gaz d'échappement directement vers un catalyseur principal unique. Cependant cette architecture induit des difficultés d'implantation du catalyseur principal au plus près de la sortie moteur en raison de sa taille. Dans une seconde disposition, chaque sortie de turbine conduit les gaz d'échappement à un précatalyseur et la jonction des conduits d'échappement se fait en amont du catalyseur principal commun ou encore le dispositif d'échappement est entièrement dédoublé. Cette technique présente les mêmes inconvénients que pour la première architecture dans le sens où la nécessité de positionner les deux précatalyseurs au plus du moteur induit des difficultés d'implantation en raison du volume total desdits précatalyseurs. L'invention a pour but de présenter une architecture d'échappement qui permet de s'affranchir des difficultés d'implantation des dispositifs de dépollution des gaz d'échappement présentées dans les deux architectures précédentes tout en conservant un précatalyseur positionné au plus près de la sortie moteur pour profiter d'une température élevée des gaz d'échappement. A cette fin, l'invention propose un dispositif d'échappement des gaz de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant un collecteur d'échappement relié par des conduits d'échappement à un premier et un second turbocompresseur agencés en parallèle entre eux, chaque turbocompresseur ayant une turbine placée dans le flux de gaz d'échappement provenant du collecteur d'échappement, une vanne d'isolement placée en amont du second turbocompresseur pour autoriser ou interdire le passage des gaz d'échappement dans le second turbocompresseur, une jonction des conduits d'échappement en aval des turbines en une ligne commune menant à un catalyseur principal, caractérisée en ce que le dispositif comprend un précatalyseur en aval du premier turbocompresseur, avant la jonction des conduits d'échappement. Dans un mode de réalisation de l'invention préféré, le dispositif d'échappement comprend, de plus, un élément de découplage en aval du second turbocompresseur, avant la jonction des conduits d'échappement, pour compenser les dispersions géométriques et les dilatations thermiques différentielles des éléments du dispositif d'échappement. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -L'élément de découplage est essentiellement tubulaire et flexible -L'élement de découplage est formé, dans un mode de réalisation avantageux, d'un soufflet. -Le dispositif d'échappement selon l'invention comprend au moins une patte de fixation pour relier les éléments du circuit d'échappement au moteur. - Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif d'échappement selon l'invention comprend deux pattes de fixation disposées en amont et en aval de la jonction des conduits d'échappement pour relier les éléments du circuit d'échappement au moteur. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après faite en référence aux figures suivantes : - La figure 1 est une représentation schématique de l'architecture d'une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne doté d'un système de double suralimentation d'air conforme à un mode de réalisation de l'invention. - La figure 2 est une vue détaillée en relief de la partie du circuit d'échappement comprise entre l'aval des turbocompresseurs et la jonction des conduits d'échappement, en aval du catalyseur principal. Description détaillée L'architecture de ligne d'échappement des gaz de combustion pour moteur à combustion interne représentée en figure 1 comprend un collecteur d'échappement 1 destinée à récupérer les gaz d'échappement générés par le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, non représenté ici. Un premier turbocompresseur 2 comprend une turbine 4 et un compresseur 6 entrainé par la turbine 4. L'entrée de turbine 8 est reliée au collecteur d'échappement 1 au moyen d'un conduit d'échappement 16 dans lequel circule un flux de gaz d'échappement. Un deuxième turbocompresseur 3 comprend une turbine 5 et un compresseur 7 entrainé par la turbine 5. L'entrée de turbine 9 est reliée à une vanne d'isolement 18 au moyen d'un conduit d'échappement 17. La vanne d'isolement 18 est elle-même reliée au collecteur d'échappement au moyen d'un conduit d'échappement 19. Les turbines 4 et 5 des turbocompresseurs 2 et 3 sont agencées entre elles en parallèle dans le circuit d'échappement. La turbine 4 est liée en rotation avec le compresseur 6 et utilise l'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour entraîner le compresseur 6 qui aspire de l'air frais d'admission moteur par l'entrée 12 du compresseur et le renvoie comprimé par la sortie 14 du compresseur 6 vers le collecteur d'admission non représenté ici. De même, La turbine 5 est liée en rotation avec le compresseur 7 e1: utilise l'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour entraîner le compresseur 7 qui aspire de l'air frais d'admission moteur par l'entrée 13 du compresseur et le renvoie comprimé par la sortie 15 du compresseur 7 vers le collecteur d'admission non représenté ici. La sortie de turbine 10 du premier turbocompresseur 2 est reliée à un premier catalyseur 20 couramment appelé précatalyseur au moyen d'un conduit d'échappement 21. Le précatalyseur 20 est relié à un second catalyseur 27 couramment appelé catalyseur principal au moyen d'un conduit d'échappement 22. Lorsque le moteur fonctionne en mode mono-turbo à faible régime et faible charge, la vanne d'isolement 18 en amont du second turbocompresseur 3 est fermée. Le flux de gaz d'échappement passe dans le premier turbocompresseur 2 qui tourne en permanence. puis dans le précatalyseur 20. Les gaz d'échappement sont alors dépollués par le précatalyseur 20. Dès que le régime et la charge atteignent un certain seuil, débute una phase de transition pour amener le moteur en mode bi-turbo. La vanne d'isolement 13 en amont du second turbocompresseur 3 s'ouvre progressivement et la turbine 5 entraîne alors le compresseur 7 du second turbocompresseur 3. Lorsque cette phase de transition est terminée, le moteur est en mcde bi-turbo dans lequel la vanne d'isolement 18 est complètement ouverte. Les deux turbocompresseurs 2 et 3 fonctionnent alors en parallèle. Les gaz sortant du second turbocompresseur 3 sont ensuite dépollués par le catalyseur principal 27. 25 Par ailleurs, en mode bi-turbo, les conditions de régime et de charge sont telles que la température du catalyseur principal 27 est naturellement supérieure à sa température d'amorçage. Le catalyseur principal 27 est donc opérationnel, ce qui n'est pas nécessairement le cas lors d'un fonctionnement en mode mono-turbo à faible régime et faible charge comme 30 par exemple une phase de démarrage. Conformément à la variante préférée de l'invention, la sortie de turbine 11 du turbocompresseur 3 est reliée à un élément de découplage 24, au moyen d'un conduit d'échappement 23. L'élément de découplage 24 est relié au conduit d'échappement 22 au niveau de la jonction 26 35 au moyen du conduit d'échappement 25. L'élément de découplage 24 est particulièrement avantageux car il permet le rattrapage des dispersions géométriques dues aux tolérances de conception des éléments du circuit 5 15 20 d'échappement et de rendre possible le montage de l'ensemble des éléments du circuit d'échappement compris entre le collecteur d'échappement 1 et le conduit d'échappement 22, tout en gardant des efforts de montage acceptables. En effet, d'une part, les turbocompresseurs 2 et 3 sont liés de manière sensiblement rigide au collecteur d'échappement 1 et d'autre part, le conduit d'échappement 22 ainsi que le précatalyseur 20 sont reliés sensiblement sans jeu au moteur, non représenté ici, au moyen de pattes de fixation 28 (figure 2). Aussi, en raison des tolérances de conception des éléments du circuit d'échappement et des pièces moteurs, les conduits d'échappement 21 et 23 devant être montés respectivement sur les deux sorties 10 et 11 des turbines 4 et 5 ne sont naturellement pas en position nominale. L'élément de découplage 24 permet donc le rattrapage de l'écart entre les interfaces entre d'une part, la sortie de turbine 10 et le conduit d'échappement, et d'autre part, la sortie de turbine 11 et le conduit d'échappement 23. De préférence, l'élément de découplage est tubulaire et flexible et peut, par exemple, être formé d'un soufflet formé de plis. Dans ce cas, plus le nombre de plis est important, plus l'élément de découplage 24 est capable de rattraper les dispersions géométriques lors du montage ainsi que les dilatations thermiques différentielles en fonctionnement moteur. En fonction de la chaine de cote de l'ensemble des pièces en interface avec moteur, les dispersions géométriques maximum que devra rattraper l'élément de découplage 24 lors du montage sont déterminées. L'adaptation de l'élément de découplage 24 est alors réalisée par le réglage adéquat du nombre de plis nécessaires, de sa raideur et de son encombrement. Par ailleurs, il est évident que l'élément de découplage 24 doit avoir une bonne tenue thermique aux conditions imposées par la température des gaz d'échappement (à titre indicatif de l'ordre de 700°C) et une bonne tenue à la corrosion. A titre d'exemple non limitatif, un matériau tel qu'un acier inoxydable peut être utilisé pour concevoir l'élément de découpage et répondre aux contraintes précitées. L'élément de découplage 24 pourra être extérieurement isolé pour éviter un rayonnement thermique trop important. Cette architecture est avantageuse car elle permet d'une part d'avoir un encombrement qui autorise l'implantation d'un précatalyseur 20 en aval du premier turbocompresseur 2 qui tourne en permanence, ledit précatalyseur 20 étant, de plus, positionné proche de la sortie moteur pour profiter de la température élevée des gaz d'échappement et lui permettre d'atteindre au plus vite sa température de fonctionnement, et, d'autre part, de limiter l'effet de contrepression dans la partie du circuit d'échappement comprenant le second turbocompresseur 3. En effet, l'élément de découplage 24, essentiellement tubulaire, génère peu de pertes de charge dans la ligne d'échappement, ce qui est favorable pour la vidange des cylindres du moteur à l'échappement et augmente la performance du moteur en mode bi-turbo, lorsque le second turbocompresseur 3 fonctionne. L'invention trouve son application aussi bien pour les moteurs diesel que pour les moteurs à essence. Revendications 1. Dispositif d'échappement des gaz de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant un collecteur d'échappement (1) relié par des conduits d'échappement (16; 19) à un premier et un second turbocompresseur (2, 3) agencés en parallèle entre eux, chaque turbocompresseur ayant une turbine (4 ; 5) placée dans le flux de gaz d'échappement provenant du collecteur d'échappement (1), une vanne d'isolement (18) placée en amont du second turbocompresseur (3) pour autoriser ou interdire le passage des gaz d'échappement dans le second turbocompresseur (3), une jonction (26) des conduits d'échappement en aval des turbines (4; 5) en une ligne commune menant à un catalyseur principal (27), caractérisée en ce que le dispositif comprend un précatalyseur (20) en aval du premier turbocompresseur (2), avant la jonction (26) des conduits d'échappement (22 ; 25). 2. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il comprend un élément de découplage (24) en aval du second turbocompresseur (3), avant la jonction (26) des conduits d'échappement (22 ; 25), pour compenser les dispersions géométriques et les dilatations thermiques différentielles des éléments du dispositif d'échappement. 3. Dispositif d'échappement selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément de découplage (24) est tubulaire et flexible. 4. Dispositif d'échappement selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément de découplage (24) est formé d'un soufflet. 5. Dispositif d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend au moins une patte de fixation (28). 6. Dispositif d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes en ce qu'il comprend deux pattes de fixation (28) disposées en amont et en aval de la jonction (26).