FR2720782A1 - Internal combustion engine exhaust system - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A
COMBUSTION INTERNE
La présente invention concerne un dispositif d'échappement des gaz de combustion d'un moteur à combustion interne équipant notamment un véhicule automobile. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif d'échappement utilisant un dispositif pour purifier les gaz d'échappement par conversion catalytique.EXHAUST DEVICE FOR A MOTOR
INTERNAL COMBUSTION
The present invention relates to a device for exhausting combustion gases from an internal combustion engine fitted in particular to a motor vehicle. The present invention relates more particularly to an exhaust device using a device for purifying the exhaust gases by catalytic conversion.
D'une façon générale les normes concernant la pollution des moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles se sévérisent chaque jour davantage dans l'ensemble des pays industrialisés. L'industrie automobile est donc aujourd'hui toute entière mobilisée à trouver des solutions techniques pour répondre à ces contraintes et ce, sans trop pénaliser ni les performances des moteurs ni leur prix de revient. In general, the standards concerning the pollution of internal combustion engines fitted to motor vehicles are becoming more and more severe every day in all industrialized countries. The automotive industry is therefore today fully mobilized to find technical solutions to meet these constraints, without penalizing either the performance of the engines or their cost price.
Pour lutter contre l'émission des gaz polluants, l'industrie automobile a adopté l'utilisation de dispositifs d'échappement traitant par conversion catalytique les composants nocifs des gaz d'échappement. Ces dispositifs encore appelés pots catalytiques permettent en effet l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés HC Qt du monoxyde de carbone CO ainsi que la réduction des oxydes d'azote NOx. Ces réactions sont en effet toutes fortement accélérées par la présence de catalyseurs de sorte qu'elles peuvent s'accomplir pendant le bref temps de passage des gaz d'échappement à travers le pot. To fight against the emission of polluting gases, the automobile industry has adopted the use of exhaust devices treating by catalytic conversion the harmful components of the exhaust gases. These devices, also called catalytic converters, in fact allow the oxidation of unburnt hydrocarbons HC Qt of carbon monoxide CO as well as the reduction of nitrogen oxides NOx. These reactions are in fact all greatly accelerated by the presence of catalysts so that they can be accomplished during the short passage time of the exhaust gases through the pot.
Toutefois, la conversion catalytique des polluants impose pour fonctionner correctement un contrôle précis de la température des gaz d'échappement. En effet, si les gaz d'échappement sont trop froids, comme par exemple au démarrage du moteur, les réactions catalytiques ne peuvent pas s'amorcer ; il ensuit donc une phase plus ou moins longue pendant laquelle les polluants émis par le moteur ne sont pas ou insuffisamment traités. On peut ainsi estimer que 80 à 90% des particules sont émises pendant les deux premières minutes de fonctionnement du moteur. Si au contraire, les gaz d'échappement sont très chauds, comme par exemple lors d'un fonctionnement à pleine charge, ils engendrent alors un vieillissement accéléré du catalyseur. However, the catalytic conversion of pollutants requires precise control of the exhaust gas temperature in order to function properly. In fact, if the exhaust gases are too cold, such as when the engine is started, the catalytic reactions cannot start; it therefore follows a more or less long phase during which the pollutants emitted by the engine are not or insufficiently treated. It can thus be estimated that 80 to 90% of the particles are emitted during the first two minutes of engine operation. If, on the contrary, the exhaust gases are very hot, such as for example during operation at full load, they then generate accelerated aging of the catalyst.
Deux types de dispositifs d'échappement ont alors été développés. Les premiers disposent le pot catalytique loin du moteur de façon que la température des gaz soit suffisamment abaissée pour ne pas endommager le catalyseur, mais il est alors nécessaire de prévoir des moyens pour élever la température du pot catalytique lors des périodes de démarrage du moteur. On peut ainsi citer les systèmes d'injection d'air à l'échappement pour provoquer la post-combustion des gaz d'échappement et accélérer la montée en température du pot catalytique.On peut également citer les moyens de chauffage ou préchauffage électriques ou électromagnétiques des pots catalytiques tels que décrits dans les demandes de brevet WO-A-90/14507,
WO-A-92/02714 ou encore EP-A-465.184. Le document
WON90/02250 prévoit quant à lui l'utilisation d'un catalyseur dit de démarrage chauffé utilisé uniquement tant que les gaz d'échappement n'ont pas atteint une température suffisante, des moyens déflecteurs de courant dirigeant les gaz d'échappement en fonction de leur température vers le catalyseur de démarrage ou dans une voie de contournement.Two types of exhaust systems were then developed. The first place the catalytic converter away from the engine so that the temperature of the gases is lowered enough not to damage the catalyst, but it is then necessary to provide means for raising the temperature of the catalytic converter during periods of engine start-up. We can cite exhaust air injection systems to cause the post-combustion of exhaust gases and accelerate the temperature rise of the catalytic converter. We can also cite the electrical or electromagnetic heating or preheating means catalytic converters as described in patent applications WO-A-90/14507,
WO-A-92/02714 or even EP-A-465.184. The document
WON90 / 02250 provides for the use of a so-called heated starting catalyst used only as long as the exhaust gases have not reached a sufficient temperature, current deflector means directing the exhaust gases as a function of their temperature to the starting catalyst or in a bypass.
Les dispositifs du second type disposent eux, le pot catalytique le plus près possible du moteur et des chambres de combustion pour accélérer la montée en température du catalyseur en limitant les pertes therniques et en conservant une température élevée aux gaz d'échappement entrant dans le pot catalytique, mais il est alors nécessaire de prévoir des moyens pour diminuer la température du pot catalytique lors des autres périodes de fonctionnement et notamment lors des périodes de fonctionnement à pleine charge. On peut ainsi citer des pots catalytiques refroidis par liquide à partir d'un piquage opéré sur le circuit de refroidissement du moteur. The devices of the second type have them, the catalytic converter as close as possible to the engine and the combustion chambers to accelerate the rise in temperature of the catalyst by limiting the thermal losses and by maintaining a high temperature for the exhaust gases entering the pot. catalytic, but it is then necessary to provide means for reducing the temperature of the catalytic converter during other periods of operation and in particular during periods of operation at full load. One can thus cite catalytic converters cooled by liquid from a tapping operated on the engine cooling circuit.
Ces différentes solutions ont pour inconvénients d'impliquer des modes de réalisation onéreux, requérants l'utilisation de moyens échangeurs de chaleur pilotés fonctionnant sélectivement suivant les conditions de fonctionnement du moteur et nécessitant des apports d'énergie plus ou moins importants. These different solutions have the drawbacks of involving expensive embodiments, requiring the use of controlled heat exchanger means operating selectively according to the operating conditions of the engine and requiring more or less significant energy inputs.
L'objet de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif d'échappement catalytique performant, simple et peu coûteux, ne requérant aucun système de pilotage. The object of the present invention is therefore to remedy the drawbacks of the prior art by proposing an efficient, simple and inexpensive catalytic exhaust device, requiring no control system.
Le dispositif d'échappement pour épurer les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon l'invention, comporte un collecteur d'échappement présentant des tubulures d'échappement fixées à la sortie des cylindres correspondants du moteur, un pot catalytique présentant une enveloppe renfermant au moins un monolithe pour le traitement des gaz d'échappement et au moins un conduit de liaison de faible longueur reliant le collecteur au pot catalytique, de façon à disposer ce dernier le plus près possible du moteur. The exhaust device for purifying the exhaust gases of an internal combustion engine according to the invention comprises an exhaust manifold having exhaust pipes attached to the outlet of the corresponding cylinders of the engine, a catalytic converter having an envelope containing at least one monolith for the treatment of exhaust gases and at least one short connecting conduit connecting the manifold to the catalytic converter, so as to have the latter as close as possible to the engine.
Selon l'invention, le dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne est caractérisé en ce que le conduit de liaison et/ou le pot catalytique sont munis de moyens de refroidissement fonctionnant en permanence et utilisant l'air ambiant comme fluide de refroidissement. According to the invention, the exhaust device for an internal combustion engine is characterized in that the connection duct and / or the catalytic converter are provided with cooling means operating continuously and using ambient air as cooling fluid.
Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les moyens de refroidissement sont formés directement par les parois extérieures du conduit de liaison et/ou du pot catalytique qui sont adaptées pour offrir d'importantes surfaces d'échanges thermiques avec l'air ambiant. According to another characteristic of the exhaust device for an internal combustion engine which is the subject of the invention, the cooling means are formed directly by the external walls of the connecting duct and / or of the catalytic converter which are adapted to offer large areas heat exchange with the ambient air.
Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les parois extérieures du conduit de liaison et/ou du pot catalytique sont adaptées pour offrir des surfaces d'échanges thermiques au moins deux fois plus importantes que les surfaces d'échanges thermiques des parois intérieures du conduit de liaison et/ou du pot catalytique au contact avec les gaz d'échappement. According to another characteristic of the exhaust device for an internal combustion engine which is the subject of the invention, the external walls of the connection duct and / or of the catalytic converter are adapted to provide heat exchange surfaces at least twice as large as the heat exchange surfaces of the interior walls of the connecting duct and / or of the catalytic converter in contact with the exhaust gases.
Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les parois extérieures du conduit de liaison et/ou du pot catalytique sont munies d'ailettes. According to another characteristic of the exhaust device for internal combustion engine object of the invention, the outer walls of the connecting pipe and / or the catalytic converter are provided with fins.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, sur lesquels
- la figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale partielle d'un dispositif d'échappement selon l'invention. The aims, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the description given below of an embodiment of the invention, given by way of nonlimiting example, with reference to the attached drawing, on which ones
- Figure 1 shows a schematic view in partial longitudinal section of an exhaust device according to the invention.
Seuls les éléments du dispositif d'échappement nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Only the elements of the exhaust device necessary for understanding the invention have been shown.
Conformément à la figure 1, le dispositif d'échappement présenté équipe un moteur à combustion interne référencé 1, à quatre cylindres en ligne disposé par exemple transversalement dans le compartiment avant d'un véhicule automobile. In accordance with FIG. 1, the exhaust device presented equips an internal combustion engine referenced 1, with four in-line cylinders arranged for example transversely in the front compartment of a motor vehicle.
Le dispositif d'échappement comprend à son extrémité amont, dans le sens de l'écoulement des gaz brûlés, un collecteur 2 présentant quatre tubulures respectivement 21, 22, 23, 24 assurant l'évacuation des gaz brûlés de chacun des cylindres du moteur 1. Ces tubulures, qui sont directement fixées à la culasse du moteur par l'intermédiaire d'une bride de fixation, sont conformées pour déboucher conjointement dans un conduit de liaison commun métallique 3 conduisant les gaz à l'entrée d'un réacteur ou pot catalytique 4, les gaz étant ensuite rejetés à l'atmosphère à la sortie de la ligne d'échappement. Le conduit de liaison 3 est le plus court possible de façon à rapprocher le pot catalytique du moteur pour accélérer l'amorçage des réactions chimiques au démarrage du moteur. The exhaust device comprises at its upstream end, in the direction of the flow of the burnt gases, a manifold 2 having four pipes respectively 21, 22, 23, 24 ensuring the evacuation of the burnt gases from each of the cylinders of the engine 1 These pipes, which are directly fixed to the cylinder head of the engine by means of a fixing flange, are shaped to lead jointly into a common metallic connection conduit 3 leading the gases to the inlet of a reactor or pot. catalytic 4, the gases then being discharged into the atmosphere at the outlet of the exhaust line. The connecting pipe 3 is as short as possible so as to bring the catalytic converter closer to the engine to accelerate the initiation of the chemical reactions when the engine is started.
Le pot catalytique 4 comprend une enveloppe métallique définissant un passage s'étendant entre les extrémités tronconiques d'entrée et de sortie respectivement divergente et convergente. Dans ce passage est logé un (ou plusieurs) monolithe de traitement également connu sous l'appellation corps à nid d'abeilles, qui se compose classiquement d'un bloc oblong occupant toute la largeur du passage, par exemple en tôle d'acier inoxydable ou en céramique poreuse, ce corps étant formé d'une multitude de canaux disposés longitudinalement de section carrée ou trapézoïdale dont les parois sont recouvertes de catalyseur pour permettre le traitement des gaz d'échappement. The catalytic converter 4 comprises a metal casing defining a passage extending between the tapered inlet and outlet ends respectively divergent and convergent. In this passage is housed one (or more) treatment monolith also known as the honeycomb body, which conventionally consists of an oblong block occupying the entire width of the passage, for example made of stainless steel sheet. or porous ceramic, this body being formed of a multitude of channels arranged longitudinally of square or trapezoidal section whose walls are covered with catalyst to allow the treatment of exhaust gases.
Conformément à l'invention, les parois extérieures du conduit de liaison 3 et du pot catalytique 4 sont adaptées pour former d'importantes surfaces d'échanges thermiques avec l'air ambiant. L'augmentation des surfaces d'échange est obtenue grâce à des parois ondulées 6 ou encore grâce à des ailettes adaptées obtenues par fonderie ou forgeage avec lesdites parois ou encore soudées sur lesdites parois extérieures. According to the invention, the outer walls of the connecting duct 3 and of the catalytic converter 4 are adapted to form large surfaces for heat exchange with the ambient air. The increase in exchange surfaces is obtained by corrugated walls 6 or also by suitable fins obtained by foundry or forging with said walls or also welded to said outer walls.
Ainsi, grâce à ces parois extérieures présentant de larges surfaces d'échanges thermiques 6, le dispositif d'échappement selon l'invention opère naturellement le refroidissement par conduction grâce au seul courant d'air généré par le déplacement du véhicule et traversant le compartiment moteur du conduit 3 et du pot catalytique 4 et donc celui des gaz d'échappement et du monolithe lors du fonctionnement du moteur et notamment lors des fonctionnements à pleine charge du moteur, ce qui permet d'éviter malgré la proximité du moteur 1 une montée en température excessive du catalyseur. Thus, thanks to these outer walls having large heat exchange surfaces 6, the exhaust device according to the invention naturally operates conduction cooling thanks to the only air flow generated by the movement of the vehicle and passing through the engine compartment of the duct 3 and of the catalytic converter 4 and therefore that of the exhaust gases and of the monolith during engine operation and in particular during engine full load operations, which makes it possible to avoid despite the proximity of engine 1 excessive temperature of the catalyst.
Ces surfaces d'échanges thermiques 6 ntont cependant aucune incidence sur la phase de montée en température du catalyseur lors des démarrages. These heat exchange surfaces 6, however, have no effect on the temperature rise phase of the catalyst during start-ups.
En effet, lors des transitoires de démarrage à froid et notamment durant les premières minutes, les pertes thermiques sont principalement dues aux transferts d'énergie des gaz vers la surface des parois intérieures des conduits traversés. Les échanges thermiques vers l'extérieur sont alors mineurs et par conséquent les surfaces d'échanges thermiques externes de ces conduits ne jouent qu'un rôle secondaire.In fact, during cold start transients and in particular during the first minutes, the heat losses are mainly due to energy transfers from the gases to the surface of the interior walls of the conduits traversed. The heat exchanges towards the outside are then minor and consequently the external heat exchange surfaces of these conduits play only a secondary role.
De ce fait, l'accroissement de la surface externe, objet de l'invention, ne modifie pas la température des gaz à l'entrée du monolithe lors des phases de démarrage du moteur 1 et donc ne retarde pas l'amorçage des réactions catalytiques. Therefore, the increase in the external surface, object of the invention, does not modify the temperature of the gases at the inlet of the monolith during the starting phases of the engine 1 and therefore does not delay the initiation of the catalytic reactions .
En revanche, après ces phases terminées, cet accroissement de la surface externe augmente les pertes thermiques entre les sorties du moteur et l'entrée du monolithe ce qui a pour effet d'abaisser le niveau de la température des gaz d'échappement.On the other hand, after these phases are complete, this increase in the external surface increases the heat losses between the outputs of the engine and the inlet of the monolith, which has the effect of lowering the level of the temperature of the exhaust gases.
Ce dispositif, particulièrement simple et économique à réaliser, permet donc tout à la fois un amorçage rapide du catalyseur et la limitation de la température des gaz lors du fonctionnement du moteur ce qui retarde le vieillissement du catalyseur. This device, which is particularly simple and economical to produce, therefore allows both rapid priming of the catalyst and limitation of the temperature of the gases during engine operation, which delays the aging of the catalyst.
La forme, les dimensions et les matériaux utilisés pour réaliser le dispositif d'échappement selon l'invention qui vient d'être décrit sont déterminés et optimisés au banc d'essai pour favoriser les transferts thermiques, afin de tenir compte notamment du niveau de la température admissible à l'entrée du pot catalytique, des températures en sortie de moteur, de la position du pot catalytique sur la ligne d'échappement ou encore de la facilité avec laquelle l'air est àà même de circuler le long du conduit 3 ou du pot catalytique 4. The shape, dimensions and materials used to make the exhaust device according to the invention which has just been described are determined and optimized on the test bench to promote heat transfers, in order to take account in particular of the level of the admissible temperature at the inlet of the catalytic converter, temperatures at the engine outlet, the position of the catalytic converter on the exhaust line or the ease with which air is able to circulate along the duct 3 or of the catalytic converter 4.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described and illustrated which have been given only by way of examples.
Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. On the contrary, the invention includes all the technical equivalents of the means described and their combinations if these are carried out according to the spirit.
Ainsi, l'adaptation des parois extérieures pour favoriser les échanges thermiques peut être limitée au seul conduit de liaison 3 ou au seul pot catalytique. Thus, the adaptation of the outer walls to promote heat exchange can be limited to the single connecting duct 3 or to the single catalytic converter.
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Publication number | Publication date |
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