Brevet FR2937375A1 — publié le 20100423

Ligne d'échappement de gaz de combustion interne de véhicule automobile La présente invention concerne une ligne d'échappement de gaz de combustion interne de véhicule automobile, de type comprenant : - un organe de purification des gaz ; et - en amont de l'organe de purification, un échangeur comprenant un orifice d'entrée des gaz et un orifice de sortie des gaz, l'échangeur délimitant au moins un chemin de refroidissement des gaz entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie. Dans une ligne d'échappement, il est courant d'intégrer un organe de purification catalytique des gaz d'échappement afin de traiter les oxydes d'azote. Pour éviter un endommagement de l'organe de purification par une température y régnant trop importante, par exemple 800°, due à une température trop élevée des gaz d'échappement, il est possible d'intégrer à la ligne d'échappement un échangeur de chaleur destiné à refroidir les gaz d'échappement en amont de l'organe de purification. Néanmoins, au démarrage du véhicule et dans certaines configurations de fonctionnement du moteur avec des températures basses des gaz d'échappement, par exemple Dans toute la description, les termes � amont � et � aval � s'entendent par rapport au sens général de circulation des gaz dans la ligne d'échappement 6. Le dispositif 10 comprend un conduit d'entrée 11 délimitant un orifice d'entrée 12, et un conduit de sortie 13 délimitant un orifice de sortie 14 relié à l'organe de purification 8. Le dispositif 10 comprend, entre le conduit d'entrée 11 et le conduit de sortie 13, un échangeur 16 délimitant plusieurs chemins de refroidissement des gaz le long desquels les gaz sont refroidis. Le dispositif 10 comprend en outre un conduit de dérivation 18 délimitant un chemin de dérivation de chaque chemin de refroidissement de l'échangeur 16 pour bipasser chaque chemin de refroidissement de l'échangeur 16. Le conduit de dérivation 18 est agencé à l'intérieur de l'échangeur 16. Le conduit 18 traverse l'échangeur et jouxte les chemins de refroidissement. Comme illustré sur la figure 2, le conduit d'entrée 11 du dispositif 10 comprend une portion convergente 22 délimitant, sensiblement en son milieu, un orifice latéral 24 débouchant sur l'échangeur 16, et, à son extrémité aval, un orifice 26 débouchant sur le conduit de dérivation 18. La portion convergente 22 a une section de passage se rétrécissant dans le sens de circulation des gaz. L'échangeur 16 comprend un conduit d'entrée 30 délimitant un orifice d'entrée 32 des gaz, un conduit de sortie 34 délimitant un orifice de sortie 36 des gaz, et une enveloppe 38 d'axe longitudinal. L'enveloppe 38 délimite un volume interne de détente et de refroidissement des gaz comprenant une pluralité de chambres de détente 40, à savoir trois chambres 40 dans l'exemple illustré. Les chambres 40 forment, avec les conduits 30 et 34, les chemins de refroidissement de l'échangeur 16. L'échangeur 16 comprend en outre une vanne 42 d'obturation du conduit d'entrée 30 sensiblement au niveau de l'orifice d'entrée 32. Néanmoins, du fait de la géométrie particulière des conduits d'entrée 11 et 30 et de la jonction entre les conduits d'entrée 11 et 30 et le conduit de dérivation 18, la vanne 42 est optionnelle. En effet, le conduit d'entrée 30 comprend une portion latérale 44 comprenant l'orifice d'entrée 32, une portion longitudinale 46 débouchant à l'intérieur de l'enveloppe 38, et un coude 48 à 90° joignant les portions 44 et 46. La portion latérale 44 débouche latéralement, au niveau de l'orifice d'entrée 32, sur la portion convergente 22. Le conduit d'entrée 30 de l'échangeur 16 s'étend ainsi, au niveau de son orifice d'entrée 32, de façon sensiblement radiale à l'axe de la portion convergente 22. Le diamètre de l'orifice d'entrée 32 du conduit d'entrée 30 est sensiblement égal au diamètre de la portion convergente 22 au niveau de l'orifice 32, à savoir environ 50 mm dans l'exemple illustré. La portion longitudinale 46 du conduit d'entrée 30 forme un tube rectiligne parallèle à l'axe longitudinal de l'enveloppe 38 et délimite, dans chacune des chambres 40, un orifice latéral débouchant 50. Les orifices 50 sont prévus, de préférence, du côté du conduit d'entrée 30 opposé au conduit de sortie 34. Le diamètre des trois orifices 50 diminue de préférence progressivement de la première à la troisième chambre 40. Les diamètres respectifs des orifices 50 débouchant dans les première, deuxième et troisième chambres 40 sont ainsi, dans l'exemple illustré, 30 mm, 28 mm et 25 mm. En variante, les orifices 50 sont multiples dans chaque chambre 40 et/ou les diamètres des orifices 50 des différentes chambres 40 sont identiques. Dans l'exemple illustré, les orifices 50 sont des trous oblongs allongés suivant l'axe longitudinal de l'enveloppe 38. La valeur de leur diamètre est une moyenne. Mais, en variante, les orifices 50 sont par exemple circulaires. Le conduit d'entrée 32 est, à son extrémité aval 54, fermé. Cette extrémité aval 54 est à l'intérieur de l'enveloppe 38. Le conduit de sortie 34 est sensiblement le symétrique de la portion longitudinale 46 du conduit d'entrée 30 par rapport à l'axe longitudinal de l'enveloppe 38. La conduit de sortie 34 délimite, dans chacune des chambres 40, un orifice latéral débouchant 56, de préférence du côté opposé au conduit d'entrée 30. Les diamètres des orifices 56 du conduit de sortie 34 sont de préférence identiques à ceux des orifices 50 situés dans les mêmes chambres 40. Mais en variante, leur diamètre est différent. Le conduit de sortie 34 présente une extrémité amont 58 fermée et débouche à son extrémité aval dans le conduit de sortie 13 du dispositif 10 de façon sensiblement coaxiale. L'extrémité amont 58 est à l'intérieur de l'enveloppe 38. L'enveloppe 38 comprend une paroi cylindrique 62 ayant pour axe l'axe longitudinal de l'enveloppe 38, deux parois d'extrémité 64 fermant la paroi cylindrique 62, et deux parois intermédiaires 66 divisant le volume formé par la paroi cylindrique 62 en trois pour former les trois chambres 40. La longueur de la paroi cylindrique 32 est, dans l'exemple illustré, d'environ 300 mm, les parois intermédiaires 66 étant disposées tous les 100 mm de façon à former trois chambres 40 de même volume. Les trois chambres 40 sont étanches. Les parois 62, 64, 66 ont un contour elliptique. Dans l'exemple illustré, le petit diamètre est d'environ 110 mm et le grand diamètre est d'environ 190 mm. Mais, en variante, les parois 62, 64, 66 ont un contour de tout type adapté, par exemple circulaire. La paroi cylindrique 62 et les parois d'extrémité 64 délimitent une surface externe 70 d'échange de chaleur avec l'atmosphère, de façon à refroidir les gaz. Les quatre parois 64 et 66 sont planes et s'étendent de façon parallèle entre elles. Le conduit d'entrée 32 traverse la paroi d'extrémité 64 amont et les deux parois intermédiaires 66, et le conduit de sortie 34 traverse les deux parois intermédiaires 66 et la paroi d'extrémité 64 située en aval. Les conduits d'entrée et de sortie 30, 34 sont espacés entre eux d'une distance maximale, si possible de la distance maximale que peut offrir le volume 10 tout en respectant les règles acoustique de base. Ils sont ainsi, dans l'espace illustré, espacés entre eux d'environ la moitié du grand diamètre de l'enveloppe 38 et situés à équidistance de l'axe longitudinal de l'enveloppe 38. Les deux conduits 30 et 34 sont centrés dans l'enveloppe 38 suivant la direction du petit diamètre. Le diamètre de la portion longitudinale 46 du conduit d'entrée 30 est légèrement inférieur au diamètre du conduit de sortie 34. Dans l'exemple illustré, le diamètre de la portion 46 est d'environ 48 mm alors que celui du conduit de sortie 34 est d'environ 53 mm. Le diamètre du conduit de sortie 34 est au moins sensiblement égal au diamètre équivalent à l'addition du conduit d'entrée 30 et du conduit de dérivation 18. Le diamètre interne du conduit de sortie 34 est sensiblement identique au diamètre interne du conduit d'entrée 11 du dispositif 10 et du conduit de sortie 13. La valeur de pression à l'intérieur du conduit de sortie 34 est inférieure aux valeurs de pression à l'intérieur de chacune des chambres 40, et la valeur de pression dans le conduit d'entrée 30 est supérieure aux valeurs de pression à l'intérieur de chacune des chambres 40. Le conduit de dérivation 18 est de faible diamètre, notamment par rapport au conduit d'entrée 11 et au conduit d'entrée 30. Dans l'exemple illustré, son diamètre interne est d'environ 22 mm. Le conduit de dérivation 18 est de section interne sensiblement constante. La pression des gaz dans le conduit de dérivation 18 reste ainsi sensiblement constante. En outre, le faible diamètre du conduit de dérivation 18 minimise la surface d'échange avec l'extérieur, ce qui évite le refroidissement des gaz. Le conduit de dérivation 18 comprend, dans l'exemple illustré, une portion rectiligne s'étendant à travers chaque chambre 40, et une portion 76 de raccordement au conduit de sortie 34. La portion de raccordement 76 débouche de façon latérale dans le conduit de sortie 34, au niveau et à l'intérieur de l'une des chambres 40. Le conduit de dérivation 18 traverse ainsi la première paroi d'extrémité 64 et les deux parois intermédiaires 66 avant de déboucher dans le conduit de sortie 34. En variante, néanmoins, le conduit de dérivation 18 traverse également la paroi d'extrémité 64. La portion rectiligne 74 du conduit de dérivation 18 s'étend, à l'intérieur de l'enveloppe 38, sensiblement à mi-distance entre le conduit d'entrée 30 et le conduit de sortie 34. Néanmoins, en variante, l'agencement du conduit de dérivation 18 est de tout type adapté. Le conduit de dérivation 18 est étanche. L'organe de purification catalytique 8 est, dans l'exemple illustré, un piège à oxyde d'azote. En variante néanmoins, l'organe de purification 8 est un autre organe de purification qui peut être endommagé s'il est exposé à une trop forte température. Le dispositif 10 permet de modifier le refroidissement ou le réchauffement des gaz en amont de l'organe de purification catalytique 8 en fonction d'une valeur de débit des gaz. La vanne d'obturation 42 comprend une unité de commande 80 adaptée pour ouvrir ou fermer la vanne 42 et ainsi obturer ou libérer l'entrée des chemins de refroidissement de l'échangeur 16 en fonction d'une valeur d'une grandeur caractéristique des gaz. A cet effet, le dispositif 10 comprend au moins un capteur de mesure 82 d'une grandeur caractéristique des gaz d'échappement, comme par exemple la température et le débit des gaz. Le capteur 82 fournit à l'unité de commande 80 une valeur de la grandeur caractéristique. Dans l'exemple illustré, le capteur 82 mesure la température des gaz. Au-dessous d'une valeur seuil de température, la vanne 42 est fermée par l'unité 80 et les gaz sont forcés à travers le conduit de dérivation 18, de façon à éviter un refroidissement de ces gaz, voire à réchauffer les gaz, et rendre efficace l'organe de purification plus rapidement. Au-delà de la valeur seuil de température, la vanne 42 est ouverte par l'unité 80. Une partie des gaz traverse toujours le conduit de dérivation 18 tandis qu'une majeure partie des gaz entre dans le conduit 30 de l'échangeur 16 et suit un chemin de détente et de refroidissement à travers au moins l'une des chambres 40. Ce chemin de détente et de refroidissement a aussi des propriétés acoustiques de part son volume et les perforations empruntées par les ondes acoustiques. En variante, cette commande de la vanne 42 est effectuée en fonction d'une valeur de débit, ou en fonction de valeurs de contre-pression. Lorsque les gaz entrent dans le conduit d'entrée 30, une partie de ceux-ci débouche dans la première chambre 40, une deuxième partie dans la deuxième chambre 40, et la dernière partie dans la troisième chambre 40. La pression des gaz à l'intérieur du conduit d'entrée 30 étant supérieure à la pression régnant dans chacune des chambres 40, les gaz sont forcés de suivre un chemin de refroidissement les menant à l'intérieur de l'une des chambres 40, et vers le conduit de sortie 34, dans lequel la valeur de pression est encore inférieure. Avec l'invention, lorsque le débit des gaz est faible, ces derniers empruntent le conduit de dérivation 18 et leur chaleur est conservée voire augmentée si la température de l'échangeur 16 est supérieure à la température des gaz, grâce à l'inertie thermique de l'échangeur 16. Ces gaz, du fait de leur faible débit, ne sont pas susceptibles d'endommager l'organe de purification 8, même s'ils sont très chauds. En outre, l'efficacité de l'organe de purification 8 lorsque les gaz ne sont pas chauds est préservée, du fait du refroidissement limité des gaz, voire de leur réchauffement. En revanche, lorsque la valeur de débit devient trop importante, les gaz sont refroidis par l'échangeur 16 et ses chemins de refroidissement dans les chambres de détente 40. L'invention assure une mise en température dans une plage convenable des gaz d'échappement en entrée de l'organe purificateur et maintient les gaz dans cette plage de température sur essentiellement toute la gamme de fonctionnement du moteur. En effet, la température des gaz d'échappement en entrée de l'organe purificateur atteint rapidement une température suffisante pour le bon fonctionnement de cet organe et ne dépasse pas une température trop haute, risquant d'endommager ce même organe, et cela pour des températures et des débits différents des gaz en sortie du moteur, c'est-à-dire essentiellement sur toute la gamme de fonctionnement du moteur. L'agencement du conduit de dérivation 18 à l'intérieur de l'échangeur 16 évite les pertes de chaleur avec l'extérieur. La jonction du conduit de dérivation 18 sur le conduit de sortie 34 à l'intérieur de l'enveloppe 38 évite de percer un trou dans la paroi d'extrémité 64 et 15 limite les pertes de chaleur. En outre, l'échangeur 16 assure une fonction d'amortissement acoustique. La fonction acoustique de l'échangeur 16 permet de réduire le dimensionnement ou de supprimer éventuellement le silencieux généralement présent en aval de l'organe de purification 8. 20 La division du volume en différentes chambres 40 améliore cet amortissement acoustique, ainsi que l'agencement des conduits d'entrée 30 et de sortie 34 dans l'enveloppe 38. La disposition et le diamètre des orifices latéraux 50 et 56 renforcent cette fonction acoustique. 25 En variante néanmoins, le nombre, la taille et la position des orifices latéraux 50 et 56 sont de tout type adapté. En variante, des orifices de communication entre les chambres 40 sont prévus. En variante, dans le cas où une vanne 42 est prévue, la jonction entre le 30 conduit d'entrée 11 du dispositif 10, les conduits d'entrée 30 du chemin de refroidissement 16 et le conduit de dérivation 18, est de tout type adapté. La portion convergente 22 et la jonction latérale avec le conduit d'entrée 30 ont en effet essentiellement pour but de répartir les gaz en l'absence de vanne 42 ou en cas de panne de la vanne 42. Cette géométrie présente donc l'avantage d'une grande robustesse et d'un coût réduit, même si elle n'est pas nécessaire. En variante, il s'agit par exemple d'une jonction en Y, de préférence avec une vanne 42. En variante, le conduit de dérivation 18 passe à l'extérieur de l'enveloppe 38 de l'échangeur 16. L'agencement du conduit de dérivation 18 à l'intérieur de l'échangeur 16 est en effet avantageux mais non obligatoire. L'agencement à l'intérieur de l'échangeur 16 réduit le trajet du conduit de dérivation 18, protège le conduit de dérivation de déperditions thermiques, voire le réchauffe, et limite l'encombrement du dispositif 10. Dans l'hypothèse où le conduit de dérivation 18 est à l'extérieur de l'échangeur 16, il est avantageux de l'isoler thermiquement . Les chambres 40 ne sont pas nécessairement de volume identique. En variante, le nombre de chambres est adapté selon les besoins de refroidissement. REVENDICATIONS1. Ligne d'échappement (6) de gaz de combustion interne de véhicule automobile, de type comprenant : - un organe de purification des gaz (8) ; et - en amont de l'organe de purification (8), un échangeur (16) comprenant un orifice d'entrée (32) des gaz et un orifice de sortie (36) des gaz, l'échangeur (16) délimitant au moins un chemin de refroidissement des gaz entre l'orifice d'entrée (32) et l'orifice de sortie (36), caractérisée en ce que la ligne d'échappement (6) comprend en outre un conduit de dérivation (18) du ou de chaque chemin de refroidissement de l'échangeur (16), le conduit de dérivation (18) délimitant un chemin de bipasse du ou de chaque chemin de refroidissement de l'échangeur (16) pour les gaz d'échappement. 2. Ligne d'échappement (6) selon la revendication 1, dans laquelle la ligne d'échappement (6) est apte à varier la quantité des gaz d'échappement vers l'un ou l'autre de l'orifice d'entrée (32) du ou de chaque chemin de refroidissement de l'échangeur (16) et du conduit de dérivation (18) en fonction d'une valeur d'une grandeur caractéristique des gaz d'échappement, de préférence en fonction d'une valeur de débit et/ou de température des gaz. 3. Ligne d'échappement (6) selon la revendication 2, comprenant des moyens d'acquisition (82) d'une valeur de la grandeur caractéristique des gaz d'échappement et une vanne d'obturation (42) de l'entrée de l'échangeur (16), la vanne (42) obturant et libérant l'entrée du ou de chaque chemin de refroidissement de l'échangeur (16) en fonction d'une valeur de la grandeur caractéristique. 4. Ligne d'échappement (6) selon la revendication 2 ou 3, comprenant une portion de conduit convergente (22) débouchant dans le conduit de dérivation (18), l'échangeur (16) comprenant un conduit d'entrée (30) délimitant l'orifice d'entrée (32) du ou de chaque chemin de refroidissement de l'échangeur (16), le conduit d'entrée (30) débouchant latéralement, au niveau de son orifice d'entrée (32), sur la portion convergente (22), le conduit d'entrée (32) et la portion convergente (22) ayant de préférence une section de passage de même valeur au niveau de leur jonction. 5. Ligne d'échappement (6) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le conduit de dérivation (18) est agencé au moins partiellement à l'intérieur de l'échangeur (16). 6. Ligne d'échappement (6) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'échangeur (16) délimite au moins une chambre (40) de détente des gaz d'échappement formant le chemin de refroidissement. 7. Ligne d'échappement (6) selon la revendication 6, dans laquelle l'échangeur (16) comprend une enveloppe (38) délimitant la ou chaque chambre de détente (40). 8. Ligne d'échappement (6) selon la revendication 6 ou 7 prises ensemble avec la revendication 5, dans laquelle le conduit de dérivation (18) traverse au moins l'une des chambres de détente (40) de façon étanche aux gaz d'échappement. 9. Ligne d'échappement (6) selon la revendication 8 prise ensemble avec la revendication 7, dans laquelle l'enveloppe (38) comprend au moins une paroi intermédiaire (66) s'étendant radialement à un axe longitudinal de l'enveloppe (38) et délimitant différentes chambres de détente (40), le conduit de dérivation (18) traversant la paroi intermédiaire (66). 10. Ligne d'échappement (6) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans laquelle l'échangeur de chaleur (16) comprend un conduit d'entrée (30) délimitant l'orifice d'entrée (32) de l'échangeur (12) et délimitant au moins un orifice débouchant (50) dans la ou chaque chambre de détente (40), l'échangeur (16) comprenant un conduit de sortie (34) délimitant l'orifice de sortie (36) de l'échangeur (12) et délimitant au moins un orifice débouchant (56) dans la ou chaque chambre de détente (40). 11. Ligne d'échappement (6) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le conduit de dérivation (18) est de section interne sensiblement constante. 12. Ligne d'échappement (6) selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans laquelle le conduit de dérivation (18) bipasse le ou chaque chemin de refroidissement de l'échangeur (16) de l'orifice d'entrée (32) de l'échangeur (16) jusqu'à l'orifice de sortie (36) de l'échangeur (16).