FR2840355A1 - Ligne d'echappement de moteur a combustion interne comportant une regulation thermique des gaz d'echappement - Google Patents

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Abstract

La ligne d'échappement comprend une canalisation d'échappement (9), un pot d'échappement catalytique (13) et un élément de catalyse (15) destiné à piéger les oxydes d'azote, montés sur la canalisation d'échappement (9). Une canalisation de recyclage (23) est raccordée directement ou indirectement à la canalisation d'échappement (9) pour recycler une fraction des gaz d'échappement. Un échangeur de chaleur de refroidissement des gaz d'échappement (17) permet simultanément de refroidir la fraction recyclée et la fraction non recyclée des gaz d'échappement. Application aux moteurs de véhicules automobiles.

Description

f Ligne d'echappement de moteur a combustion interne comportant une
regulation thermique des gaz d'echappement L' invention se rapporte aux moteurs a combustion interne
notamment pour vehicules automobiles.
Wile concerne une ligne d'echappement et de recirculation des gaz d'un moteur a combustion interne, et plus particulierement une ligne d'echappement comprenant une canalisation d'echappement, un pot catalytique et un element de catalyse destine a pieger les oxydes d'azote, montes en serie sur la
canalisation d'echappement.
Les normes environnementales imposent une reduction importante des niveaux d'emission des moteurs a combustion interne de vehicules automobiles. Pour reduire la formation des oxydes d'azote, il est connu de recirculer, a faible charge et a charge partielle du moteur du vehicule, une fraction des gaz dechappement vers les tubulures diadmission du moteur au moyen dun tube ou dune canalisation de recyclage. On parvient ainsi a diminuer la temperature de combustion et, par suite, la
formation des oxydes d'azote.
Pour diminuer encore davantage le niveau diemission des oxydes d' azote, il est connu d' introduire un echangeur de chaleur qui permet dabaisser la temperature des gaz diechappement recycles a ['admission jusqu'a 100 C environ. Cet echangeur est generalement du type liquide-gaz. I1 est raccorde au circuit de
refroidissement du moteur.
Par ailleurs, il est egalement connu, particulierement sur les moteurs a essence a injection directe qui produisent, lorsqutils fonctionnent en melange pauvre (melange dair frais et de gaz recycles), beaucoup d'oxydes d'azote, d'utiliser un catalyseur de reduction destine a pieger ces oxydes d'azote. Ce catalyseur permet dans un premier temps de stocker les oxydes d'azote en milieu oxydant (melange pauvre), et dans un deuxieme
temps de les reduire en milieu reducteur (melange riche).
Toutefois, un tel element de catalyse presente l',nconvenient de fonctionner sur une plage de temperatures reduite. Cette limitation empeche de l'utiliser aussi souvent que ce serait possible et souhaitable pour exploiter au maximum les possibilites du moteur en reduction de la consommation de carburant. D'autre part, le niveau de temperature maximum acceptable pour ne pas deteriorer les performances de cet element de catalyse est plus faible (800 a 850 C) que celui
d'un catalyseur classique a trots voies (plus de 900 C).
On ne connalt pas actuellement de dispositifs de regulation
thermique des gaz d'echappement.
On connalt seulement des dispositifs permettant de moderer leur temperature en modulant la longueur du tuyau d'echappement avant le catalyseur de reduction destine a pieger les oxydes
dazote (dossier de presse Eberspacher).
La presente invention a pour objet une ligne d'echappement de moteur a combustion interne qui remedie a cet inconvenient grace a la presence d'une regulation thermique des gaz d'echappement. Ce but est atteint, conformement a ['invention, par le fait que la ligne d'echappement comprend une canalisation de recyclage raccordee directement ou indirectement a la canalisation d' echappement pour recycler une fraction des gaz d' echappement, ainsi qu'un echangeur de chaleur pour refroidir la fraction recyclee des gaz d'echappement, cet echangeur de refroidissement etant interpose entre le pot d'echappement
catalytique et l 'clement de catalyse.
Grace a cette caracteristique, lechangeur permet de refroidir les gaz d'echappement recycles. Cela permet, de maniere classique, d'abaisser la temperature des gaz de combustion et, par suite, le niveau d'emission des oxydes d'azote dans ces gaz d'echappement. Mais en outre, la presence de l'echangeur permet de refroidir egalement les gaz d'echappement non recycles qui traversent l 'clement de catalyse destine a pieger les oxydes d'azote. Ainsi, ltelement de catalyse peut etre utilise dans une plage de temperatures des gaz d'echappement plus importante, voire queue que soit la temperature de ces derniers. On peut done faire fonctionner le moteur en melange pauvre plus souvent, voire chaque fois que cela est souhaitable pour reduire la
consommation de carburant.
Dans un premier mode de realisation, liechangeur de refroidissement est monte en serie sur la canalisation d'echappement. Dans un autre mode de realisation, la ligne d'echappement comporte une derivation comprenant une canalisation de deviation des gaz d'echappement qui amene une fraction ou la totalite des gaz dechappement a l'echangeur de refroidissement des gaz recycles et une canalisation de retour des gaz d'echappement qui ramene la fraction recyclee des gaz
d'echappement a la canalisation d'echappement.
Selon une autre caracteristique de l' invention, une vanne de regulation est interposee entre le branchement de depart de la canalisation de deviation des gaz dechappement et le branchement d'arrivee de la canalisation de retour des gaz d'echappement. Cela permet de gerer avec precision le debit de la fraction recyclee des gaz dechappement en fonction des
besoins du moteur.
D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention
apparatront encore a la lecture de la description qui suit
d'exemples de realisation donnes a titre illustratif en reference aux figures annexees. Sur ces figures: la Figure 1 illustre un premier mode de realisation de l' invention, dans lequel ltechangeur de refroidissement des gaz d'echappement est monte directement sur la canalisation d'echappement; la Figure 2 illustre un second mode de realisation de linvention, dans lequel l'echangeur de refroidissement des gaz dechappement est deporte
par rapport a la canalisation d'echappement.
Sur la Figure 1, le moteur a combustion interne 1 comporte une tubulure d' admission 3 qui est alimentee en air frais par une canalisation 5 et une tubulure d'echappement 7 raccordee a une canalisation d'echappement 9 permettant d'acheminer les gaz d'echappement vers un pot d'echappement exterieur dit Usilencieux" (non represente), qui evacue les gaz dechappement
dans l' atmosphere.
Un turbocompresseur 11 permet de comprimer l' air admis dans le
moteur afin diaugmenter la puissance specifique de ce dernier.
De maniere classique, le turbocompresseur 11 comprend une turbine d'entranement actionnee par l'energie des gaz dechappement et, de ce fait, montee sur la canalisation
d'echappement 9.
Un pot d'oxydation catalytique 13 est monte en serie sur la canalisation d'echappement 9. En outre, un element de catalyse destine a pieger les oxydes d'azote est egalement monte sur la canalisation dechappement 9 en aval du pot catalytique 13
selon le sens d'echappement des gaz.
Conformement a l' invention, un echangeur de chaleur 17 est interpose entre le pot catalytique 13 et ['element de catalyse 15. L'echangeur 17 permet de refroidir les gaz d'echappement qui sortent du pot catalytique 13. C'est un echangeur de type liquide-gaz, il est refroidi par lieau du circuit de refroidissement du moteur. A cet effet, une canalisation 19 amene l'eau du circuit de refroidissement a ltechangeur 17, comme schematise par la fleche 20. Apres echange de chaleur avec les gaz d'echappement, lieau quitte l'echangeur par une canalisation 21, comme schematise par la fleche 22. Une canalisation de recyclage 23 raccordee a lechangeur 17 permet de prelever une fraction des gaz d'echappement refroidis dans l'echangeur 17 et de les reintroduire dans la tubulure d'echappement 3 afin de les
melanger aux gaz frais provenant de la canalisation 5.
On realise ainsi un melange appauvri qui permet, comme on l'a explique precedemment, d'abaisser la temperature de combustion du moteur et, par suite, le niveau demission des oxydes d'azote. Une vanne 25 montee sur la canalisation de recyclage permet de regler la fraction de gaz dechappement recyclee dans
le moteur.
Grace a la presence de lechangeur 17 entre le pot catalytique 13 et ['element de catalyse 15, la totalite des gaz d'echappement est refroidie. La fraction recyclee des gaz d'echappement est refroidie, ce qui permet daugmenter l'efficacite de la recirculation. D,autre part, la fraction non recyclee des gaz dechappement est egalement refroidie, ce qui permet de ne pas deteriorer lelement de catalyse 15 et de le faire fonctionner, y compris a charge elevee du moteur, lorsque les gaz rejetes ont une temperature importante qui est en dehors de la fenetre de temperature optimum d'efficacite de
['element de catalyse.
On a represente sur la Figure 2 un autre mode de realisation . d'une ligne d'echappement de l' invention. Wile se distingue du premier mode de realisation represente sur la Figure 1 par le fait que ltechangeur de refroidissement des gaz d'echappement 17 n'est pas monte en serie sur la canalisation d'echappement 9, mais deporte par rapport a cette canalisation. En particulier, dans l'exemple represente, cet echangeur 17 est dispose a proximite immediate du moteur, ce qui permet de raccourcir de maniere considerable la longueur de la
canalisation de recyclage 23.
Dans cette realisation egalement, ltechangeur 17 est refroidi par l'eau du circuit de refroidissement du moteur qui penetre par la canalisation 9, comme schematise par la fleche 20, et qui ressort par la canalisation 21, comme schematise par la fleche 22. L'echangeur de refroidissement 17 est raccorde a la canalisation d'echappement 19 par une canalisation de deviation 27 qui permet d'amener la fraction recyclee des gaz d'echappement a lt entree de l'echangeur. Une canalisation de retour 29 permet de ramener les gaz refroidis vers la
canalisation d'echappement 9.
Une vanne de regulation 31 est interposee entre le branchement de depart de la canalisation de deviation 27 et le branchement d'arrivee de la canalisation 29. La vanne de regulation 31
permet de regler la fraction recyclee des gaz d'echappement.
Lorsquelle est fermee, la totalite des gaz circule par la
canalisation de deviation et la canalisation de retour.
Lorsquelle est en position entierement ouverte, la totalite des gaz dechappement est acheminee directement vers l'exterieur sans etre recyclee dans le moteur. La vanne de regulation 31 permet egalement detablir une contre-pression a l'echappement qui provoque une elevation de la temperature
d'echappement et permet done de recuperer davantage de chaleur.
Bien que les exemples decrits en reference aux Figures 1 et 2 comportent un turbocompresseur 11 qui augmente la quantite d'air admise dans le moteur, l'invention s'applique egalement a une ligne d'echappement pour un moteur depourvu d'un tel
turbocompresseur. -

Claims (4)

Revendications
1.. Ligne dechappement des gaz d'un moteur a combustion interne, notamment de vehicule automobile, comprenant une canalisation d'echappement (9), un pot d'echappement catalytique (13) et un element de catalyse (15) destine a pieger les oxydes d'azote, montes en serie sur la canalisation d'echappement (9), caracterisee en ce quelle comprend une canalisation de recyclage (23) raccordee directement ou indirectement a la canalisation dechappement (9) pour recycler une fraction des gaz d'echappement, ainsi qutun echangeur de chaleur (17) pour refroidir la fraction recyclee des gaz d'echappement, cet echangeur de refroidissement (17) etant interpose entre le pot
d'echappement catalytique (13) et ['element de catalyse (1S).
2. Ligne d'echappement selon la revendication 1, caracterisee en ce que ltechangeur de refroidissement (17) est monte en
serie sur la canalisation d'echappement (9).
3. Ligne dechappement selon la revendication 1, caracterisee en ce qu'elle comporte une derivation comprenant une canalisation de deviation (27) des gaz d'echappement qui amene une fraction ou la totalite des gaz dechappement a lechangeur de refroidissement (21) et une canalisation de retour (29) des gaz d'echappement qui ramene la fraction recyclee des gaz
dechappement a la canalisation d'echappement (9).
4. Ligne dechappement selon la revendication 3, caracterisee en ce qutelle comporte une vanne de regulation (31) interposee entre le branchement de depart de la canalisation de deviation (27) et le branchement d'arrivee de la canalisation de retour
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