FR2930284A1 - Ligne d'echappement equipee d'un organe de purification catalytique - Google Patents

Abstract

La ligne d'échappement (1) comprend :- un organe de purification catalytique (3) présentant une entrée de gaz d'échappement (15) ;- un conduit commun (8) de circulation des gaz d'échappement, situé en amont de l'organe de purification catalytique (3) ;- un premier conduit (9) de circulation des gaz d'échappement reliant le conduit commun (8) à l'entrée (5) de l'organe de purification catalytique (3), le premier conduit (9) comprenant un organe (11 ) de refroidissement des gaz d'échappement et des moyens (13) pour sélectivement autoriser ou interdire la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit (9) ;- un second conduit (15) de circulation des gaz d'échappement reliant le conduit commun (8) à l'entrée (5) de l'organe de purification catalytique (3) ;caractérisée en ce que le premier conduit (9) présente une première longueur développée déterminée, le second conduit (15) présentant une seconde longueur développée inférieure à 50% de la première longueur développée.

Description

Ligne d'échappement équipée d'un organe de purification catalytique. L'invention concerne en général les lignes d'échappement de véhicules automobiles équipées d'organes de purification catalytiques. Plus précisément, l'invention concerne une ligne d'échappement de véhicule automobile, du type comprenant : - un organe de purification catalytique présentant une entrée de gaz d'échappement ; - un conduit commun de circulation des gaz d'échappement, situé en amont de l'organe de purification catalytique ; - un premier conduit de circulation des gaz d'échappement reliant le conduit commun à l'entrée de l'organe de purification catalytique, le premier conduit comprenant un organe de refroidissement des gaz d'échappement et des moyens pour régler sélectivement la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit ; - un second conduit de circulation des gaz d'échappement reliant le conduit commun à l'entrée de l'organe de purification catalytique. Ce type de ligne d'échappement est généralement monté sur des véhicules dont les moteurs fonctionnent en mélange pauvre en carburant, de type diesel ou essence à injection directe. L'organe de refroidissement des gaz d'échappement permet de protéger l'organe de purification catalytique, car celui-ci se dégrade quand les gaz d'échappement dépassent une température prédéterminée, de l'ordre de 600°C. Par ailleurs, le catalyseur est prévu entre autres pour oxyder les NOx. Il ne réalise cette fonction avec efficacité que quand les gaz d'échappement présentent une température minimum appelée température d'amorçage. De ce fait, le moteur est piloté de manière à fonctionner dans des conditions stoechiométrique tant que l'organe de purification catalytique n'est pas amorcé, pour les moteurs essence à injection directe pauvre. Dès que celui-ci est amorcé, le moteur peut passer en mélange pauvre.

Ainsi, il est souhaitable d'accélérer l'amorçage de l'organe de purification catalytique, de matière à passer plus rapidement en mélange pauvre, et donc à économiser du carburant.

Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une ligne d'échappement permettant d'accélérer l'amorçage de l'organe de purification catalytique. A cette fin, l'invention porte sur une ligne d'échappement du type précité, caractérisée en ce que le premier conduit présente une première longueur développée déterminée, le second conduit présentant une seconde longueur développée inférieure à 50% de la première longueur développée. La ligne d'échappement peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le second conduit présente une seconde longueur développée inférieure à 25% de la première longueur développée ; - le second conduit présente une seconde longueur développée inférieure à 30 centimètres ; - le second conduit est dépourvu de moyens d'obturation, les gaz d'échappement circulant en permanence à travers le second conduit quand un moteur du véhicule automobile fonctionne ; - le premier conduit est en U et comprend des première et seconde branches parallèles l'une à l'autre, les gaz d'échappement circulant selon des directions inverses dans les première et seconde branches ; - au moins une des première et seconde branches du premier conduit s'étend le long de l'organe de purification catalytique ; - l'organe de purification catalytique est allongé longitudinalement, les première et seconde branches s'étendant longitudinalement parallèlement à l'organe de purification catalytique ; - le premier conduit comprend un premier tronçon, un second tronçon, et des moyens pour compenser la dilation thermique du premier conduit interposés entre les premier et second tronçons ; - les moyens de réglage sont aptes à interdire la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit à faible charge du moteur du véhicule automobile, le second conduit présentant une seconde section de passage dimensionnée pour un débit de gaz d'échappement correspondant à une faible charge du moteur du véhicule automobile ; et - les moyens de réglage sont aptes à autoriser la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit à forte charge du moteur thermique, les premier et second conduits étant alors traversés respectivement par des premier et second flux, le premier conduit présentant une première section de passage dimensionnée pour que les premier et second flux mélangés présentent en entrée de l'organe de purification catalytique une température de mélange inférieure à une limite prédéterminée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence à la figure unique annexée représentant une partie d'une ligne d'échappement conforme à l'invention. La ligne d'échappement 1 représentée sur la figure 1 comprend, entre autre : - un organe de purification catalytique 3 présentant une entrée de gaz d'échappement 5 et une sortie de gaz d'échappement 7 ; - un conduit commun 8 de circulation des gaz d'échappement situé en amont de l'organe de purification catalytique 3 ; - un premier conduit 9 de circulation des gaz d'échappement reliant le conduit commun 8 à l'entrée 5 de l'organe de purification catalytique, le premier conduit 9 comprenant un organe de refroidissement des gaz d'échappement 11 et des moyens 13 pour régler sélectivement la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit 9 ; - un second conduit 15 de circulation des gaz d'échappement, reliant le conduit commun 8 à l'entrée 5 de l'organe de purification catalytique.

L'organe de purification catalytique 3 comporte une enveloppe externe 17 définissant un volume interne, et un bloc de purification catalytique (non représenté) placé dans le volume interne. L'enveloppe 17 est allongée longitudinalement et définit à une première extrémité longitudinale l'entrée 5, et à une seconde extrémité longitudinale opposée à la première la sortie 7. Les gaz d'échappement sont donc forcés à parcourir le volume interne de l'organe de purification catalytique 3, depuis l'entrée 5 jusqu'à la sortie 7, à travers le bloc de purification catalytique.

La sortie 7 est raccordée à la canule de rejet des gaz d'échappement purifiés dans l'atmosphère. D'autres équipements, non représentés, peuvent être interposés entre l'organe de purification catalytique et la canule, par exemple un silencieux.

Le bloc de purification catalytique comprend un substrat formé d'un matériau poreux perméable aux gaz d'échappement. Le substrat est imprégné de matériau catalytique. Le substrat est formé par exemple de cordiérite, de carbure de silicium, mais il est envisageable d'utiliser un substrat de type métallique. Les matériaux catalytiques imprégnants sont par exemple des métaux précieux du type platine. Le bloc de purification catalytique fonctionne comme un piège à NOx, c'est-à-dire qu'il piège les NOx lors du fonctionnement pauvre du moteur (en excès d'air) ; lors d'un passage riche, donc sans oxygène dans l'échappement, (passage riche déclenché par le contrôle électronique du moteur) le catalyseur les réduits en N2 + 02. Autrement dit, ce catalyseur fonctionne comme un catalyseur d'oxydation en mélange pauvre et comme un catalyseur réducteur (pratiquement comme un catalyseur trois voies) lors des excursions riches, avec éventuellement un pic de CO et HC car le contrôle moteur ne peut pas tout à fait ajuster la quantité de carburant exacte correspondant à la quantité de NOx piégés.

L'entrée 5 est raccordée par des premier et second orifices 19 et 21 respectivement au premier conduit et au second conduit. Les premier et second orifices débouchent dans le volume interne de l'organe de purification catalytique. Le conduit commun 8 est raccordé à un collecteur (non représenté) prévu pour capter les gaz d'échappement en sortie des chambres de combustion du moteur thermique du véhicule automobile. D'autres équipements sont éventuellement interposés entre le collecteur et le conduit commun 8, par exemple un turbo-compresseur. Le conduit commun 8 présente une entrée 23, raccordée au collecteur, et deux sorties 25 et 27 raccordées respectivement aux premier et second conduits de circulation des gaz d'échappement 9 et 15. Le premier conduit 9 présente une forme générale en U. Comme visible sur la figure, il comporte une première branche 29 raccordée à la sortie 25, une seconde branche 31 raccordée à l'orifice 19 du catalyseur, et une crosse 33 reliant les branches 29 et 31 l'une à l'autre. Les branches 29 et 31 sont longitudinales. Elles sont parallèles l'une à l'autre. Les gaz d'échappement circulent dans des directions inverses dans les premières et secondes branches 29 et 31. La seconde branche 31 s'étend le long de l'organe de purification catalytique 3. Elle est par exemple plaquée contre l'organe de purification catalytique 3. La première branche 29 s'étend immédiatement à côté de la seconde branche 31. L'organe 11 de refroidissement des gaz d'échappement est réalisé dans la seconde branche 31. Il peut être de tout type. L'organe 11 est par exemple un échangeur gaz liquide, comprenant un conduit primaire de circulation des gaz d'échappement, et un conduit secondaire de circulation d'un liquide de refroidissement, par exemple de l'eau avec des additifs. L'organe de refroidissement peut également être un échangeur gaz/gaz avec un conduit primaire de circulation des gaz d'échappement et un conduit secondaire de circulation d'un gaz de refroidissement. Le gaz de refroidissement est typiquement de l'air. Par exemple, les gaz d'échappement échangent avec l'air atmosphérique entourant le véhicule. Dans tous les cas, les gaz d'échappement cèdent leur chaleur au liquide ou au gaz secondaire. Les moyens 13 pour régler sélectivement la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit comprennent typiquement une vanne motorisée 35 et un calculateur 37 de pilotage de la vanne motorisée 35. La vanne 35 est typiquement une vanne tout ou rien, susceptible d'adopter sélectivement une première position dans laquelle la circulation des gaz d'échappement est interdite à travers le premier conduit, et une seconde position dans laquelle la circulation des gaz d'échappement est autorisée à travers le second conduit. Le calculateur 37 est par exemple le calculateur de pilotage de la ligne d'échappement ou encore le calculateur de pilotage du moteur du véhicule automobile. La vanne 35 peut être disposée en tout point du premier conduit 9. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure, elle est située à la jonction entre le premier conduit 9 et le conduit commun 8. Elle pourrait également être située en aval de l'organe de refroidissement 11, par exemple entre l'organe 11 et l'organe de purification catalytique 3.

Le conduit 9 est un conduit métallique. Avantageusement, il comporte un compensateur 39. Le compensateur 39 est interposé entre deux tronçons successifs 41 et 43 de la première branche 29. Il est prévu pour compenser la dilatation thermique du conduit 9 sous l'effet de l'échauffement dû au passage des gaz d'échappement chauds. Le découpleur 39 comporte par exemple une pluralité d'ondulations formées dans la paroi externe du conduit 9. Le compensateur 39 peut également être un découpleur à compression axiale, du type décrit dans les demandes de brevet FR-0412641 ou FR-0504631.

Le second conduit 15 comporte une première portion 45 d'orientation longitudinale placée dans le prolongement de l'organe de purification catalytique. La portion 45 est raccordée à l'orifice 21. Le second conduit 15 comporte également une seconde portion 47 d'orientation inclinée par rapport à la direction longitudinale, prolongeant la portion 45. La portion 47 est raccordée à la sortie 27.

De manière à accélérer l'amorçage de l'organe de purification catalytique, le second conduit 15 présente une longueur développée beaucoup plus courte que le premier conduit 9. Par exemple, le premier conduit 9 présente une première longueur développée déterminée, le second conduit 15 présentant une seconde longueur développée inférieure à 50% de la première longueur développée, de préférence inférieure à 25% de la première longueur développée. Typiquement, la seconde longueur développée vaut 10% de la première longueur développée. Par exemple, le second conduit 15 présente une seconde longueur développée inférieure à 50 cm, de préférence inférieure à 30 cm, et valant par exemple 10 cm. Le second conduit 15 est dépourvu de moyens d'obturation. Les gaz d'échappement circulent en permanence à travers le second conduit 15 du tronçon commun 8 vers l'entrée 5 de l'organe de purification catalytique, quand le moteur du véhicule automobile fonctionne. Le calculateur 37 comporte des moyens pour acquérir une information représentative de la charge du moteur du véhicule automobile. Typiquement, le calculateur 37 récupère cette information dans le système de pilotage du moteur thermique du véhicule automobile. Le calculateur 37 est prévu pour piloter la vanne 35 en fonction de la charge du moteur. Ainsi, le calculateur 37 est programmé pour interdire la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit 9 quand le moteur fonctionne à faible charge. Dans ce cas, tous les gaz d'échappement passent dans le second conduit 15. Le second conduit 15 présente de ce fait une seconde section de passage pour les gaz d'échappement, dimensionnée pour un débit de gaz d'échappement correspondant à une faible charge du moteur. La section de passage est dimensionnée de manière à ce que le second conduit ne créé pas dans la ligne d'échappement de contre pressions nuisibles au bon fonctionnement du moteur. Le débit de gaz d'échappement à faible charge du moteur est variable d'un véhicule à l'autre, de telle sorte que la section du second conduit sera également variable d'un véhicule à l'autre. Le calculateur 37 est programmé de manière à autoriser la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit quand le moteur fonctionne à forte charge. On entend par forte charge des charges telles que les gaz d'échappement, en sortie du moteur, dépassent une température prédéterminée, par exemple la température au-delà de laquelle l'organe de purification catalytique risque d'être endommagé par le passage des gaz d'échappement. Dans cette situation, les gaz d'échappement provenant du moteur et pénétrant dans le conduit commun 8 vont se diviser en un premier flux traversant le premier conduit 9 jusqu'à l'organe de purification catalytique 3, et un second flux traversant le second conduit 15 jusqu'à l'organe de purification catalytique 3. La section de passage du premier conduit est dimensionnée pour que les premier et second flux se mélangeant à l'entrée 5 de l'organe de purification catalytique présentent une température de mélange inférieure à une limite prédéterminée. Cette limite prédéterminée est par exemple la température à laquelle l'organe de purification catalytique pourrait être endommagée, et vaut par exemple 600°C. Ainsi, on dimensionne la première section de passage du premier conduit de manière à ce que, compte tenu de la seconde section de passage du second conduit, le flux de gaz d'échappement entrant dans le conduit commun se répartissent dans les conduits 9 et 15 dans des proportions telles que on obtienne à l'entrée de l'organe de purification catalytique une température de mélange inférieure à la limite prédéterminée. Le fonctionnement de la ligne d'échappement décrite ci-dessus va maintenant être détaillé.

Au démarrage du véhicule, le calculateur 37 maintient la vanne 35 dans sa position interdisant la circulation de gaz d'échappement à travers le conduit 9. Le moteur fonctionne dans des conditions stoechiométriques. L'organe de purification catalytique 3 est froid et n'est donc pas encore amorcé. Les gaz d'échappement, sortant des chambres de combustion du moteur et rentrant dans le conduit commun 8 sont dirigés vers le second conduit 15 jusqu'à l'organe de purification catalytique 3. Du fait que la longueur développée du second conduit est faible, le refroidissement des gaz d'échappement entre le conduit commun 8 et l'organe de purification catalytique 3 est limité. Ceci contribue à faire augmenter plus rapidement la température de l'organe de purification catalytique.

Quand l'organe de purification catalytique a atteint sa température d'amorçage, le calculateur 37 pilote la vanne 35 en fonction de la charge du moteur. Quand la charge du moteur est inférieure à une limite prédéterminée, le calculateur 37 commande à la vanne 35 d'interdire la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit. Tous les gaz d'échappement arrivant au conduit commun sont orientés vers le second conduit et traverse ce conduit jusqu'à l'organe de purification catalytique. La limite de charge prédéterminée est fixée de manière à ce que les gaz entrant dans l'organe de purification catalytique présentent une température inférieure à la température à partir de laquelle l'organe de purification catalytique pourrait se dégrader.

Si la charge du moteur dépasse la limite de charge prédéterminée, le calculateur 37 commande à la vanne 35 d'adopter sa position autorisant la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit. Dans ce cas, le flux de gaz d'échappement arrivant à l'entrée du conduit commun se divise en deux, une partie du flux transitant jusqu'à l'organe de purification catalytique 3 à travers le premier conduit 9, et une autre partie traversant le second 15 jusqu'à l'organe de purification catalytique 3. La ligne d'échappement décrite ci-dessus présente de multiples avantages.

Du fait que le premier conduit présente une première longueur développée déterminée, le second conduit présentant une seconde longueur développée, inférieure à 50% de la première longueur développée, le trajet des gaz d'échappement jusqu'à l'organe de purification catalytique à travers le second conduit est particulièrement court. Ainsi, au démarrage du véhicule, les gaz d'échappement ne subissent pas de refroidissement important avant d'arriver à l'organe de purification catalytique, en transitant à travers le second conduit. L'amorçage de l'organe de purification catalytique est accéléré. Du fait de la forme du premier conduit, en U avec deux branches parallèles à l'organe de purification catalytique, la ligne d'échappement est particulièrement compacte. Par ailleurs, les longueurs et les sections des conduits sont dimensionnées de manière à protéger l'organe de purification catalytique, et à ne jamais l'exposer à des températures élevées pouvant provoquer des dégradations dudit organe de purification catalytique. La ligne d'échappement décrite ci-dessus peut présenter de multiples variantes. L'organe de refroidissement des gaz d'échappement peut ne pas être agencé le long de l'organe de purification catalytique. Il peut s'étendre perpendiculairement à l'organe de purification catalytique ou suivre une direction inclinée ou encore être disposé à distance de l'organe de purification catalytique. Il peut être disposé dans la première branche ou dans la deuxième branche du premier conduit. Le premier conduit peut présenter toutes sortes de formes et d'orientation.

Il peut ne pas présenter une forme en U, mais une forme en S, ou tout autre forme adaptée en fonction de l'espace disponible sous le véhicule. Le premier conduit peut s'étendre dans un plan parallèle à la direction longitudinale définie par l'organe de purification catalytique. Il peut également s'étendre dans un plan perpendiculaire à cette direction longitudinale ou inclinée, ou suivant tout autre orientation. L'organe de purification catalytique peut être de tout type. Les moyens pour régler sélectivement la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit ne comprennent pas nécessairement une vanne tout ou rien. La vanne peut être une vanne proportionnelle, permettant de moduler la section de passage offerte aux gaz d'échappement à travers le premier conduit. Dans ce cas, le degré de l'ouverture de la vanne proportionnelle est réglé par le calculateur en fonction de la charge du moteur, de manière à maintenir la température des gaz d'échappement entrant dans l'organe de purification catalytique inférieure au maximum prédéterminé. Le calculateur 37 peut piloter les moyens de réglage de la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit, non pas en fonction de la charge du moteur mais en fonction d'autres paramètres, par exemple le débit et la température des gaz d'échappement en sortie des chambres de combustion du moteur. Dans ce cas, la ligne d'échappement peut comprendre une sonde mesurant la température des gaz d'échappement en amont de l'organe de purification catalytique et renseignant le calculateur. Le calculateur récupère par ailleurs une information relative au débit de gaz d'échappement dans le système de pilotage du moteur du véhicule. Alternativement, le calculateur peut récupérer également des informations permettant de calculer la température des gaz d'échappement en sortie des chambres de combustion dans le système de pilotage du moteur. La ligne d'échappement peut également présenter une sonde de température apte à mesurer la température des gaz d'échappement à l'entrée de l'organe de purification catalytique. Le calculateur peut être programmé pour piloter les moyens pour régler la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit en fonction de la température des gaz d'échappement mesurée en entrée de l'organe de purification catalytique.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Ligne d'échappement de véhicule automobile, la ligne d'échappement (1) comprenant : - un organe de purification catalytique (3) présentant une entrée de gaz d'échappement (15) ; - un conduit commun (8) de circulation des gaz d'échappement, situé en amont de l'organe de purification catalytique (3) ; - un premier conduit (9) de circulation des gaz d'échappement reliant le conduit commun (8) à l'entrée (5) de l'organe de purification catalytique (3), le premier conduit (9) comprenant un organe (11) de refroidissement des gaz d'échappement et des moyens (13) pour régler sélectivement la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit (9) ; - un second conduit (15) de circulation des gaz d'échappement reliant le conduit commun (8) à l'entrée (5) de l'organe de purification catalytique (3) ; caractérisée en ce que le premier conduit (9) présente une première longueur développée déterminée, le second conduit (15) présentant une seconde longueur développée inférieure à 50% de la première longueur développée.
2. 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second conduit (15) présente une seconde longueur développée inférieure à 25% de la première longueur développée.
3. 3. Ligne d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le second conduit (15) présente une seconde longueur développée inférieure à 30 centimètres.
4. 4. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le second conduit (15) est dépourvu de moyens d'obturation, les gaz d'échappement circulant en permanence à travers le second conduit (15) quand un moteur du véhicule automobile fonctionne.
5. 5. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le premier conduit (9) est en U et comprend des première et seconde branches (29, 31) parallèles l'une à l'autre, les gaz d'échappement circulant selon des directions inverses dans les première et seconde branches (29, 31).
6. 6. Ligne d'échappement selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'au moins une des première et seconde branches (29, 31) du premier conduit s'étend le long de l'organe de purification catalytique (3).
7. 7. Ligne d'échappement selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que l'organe de purification catalytique (3) est allongé longitudinalement, les première et seconde branches (29, 31) s'étendant longitudinalement parallèlement à l'organe de purification catalytique (3).
8. 8. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le premier conduit (9) comprend un premier tronçon (41), un second tronçon (43), et des moyens (39) pour compenser la dilation thermique du premier conduit (9) interposés entre les premier et second tronçons (41, 43).
9. 9. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les moyens de réglage (13) sont aptes à interdire la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit (9) à faible charge du moteur du véhicule automobile, le second conduit (15) présentant une seconde section de passage dimensionnée pour un débit de gaz d'échappement correspondant à une faible charge du moteur du véhicule automobile.
10. 10. Ligne d'échappement selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens de réglage (13) sont aptes à autoriser la circulation des gaz d'échappement à travers le premier conduit (9) à forte charge du moteur thermique, les premier et second conduits (9, 15) étant alors traversés respectivement par des premier et second flux, le premier conduit (9) présentant une première section de passage dimensionnée pour que les premier et second flux mélangés présentent en entrée de l'organe de purification catalytique (3) une température de mélange inférieure à une limite prédéterminée.