FR2941490A1

FR2941490A1 - Ligne d'echappement de moteur a combustion interne equipee d'un systeme d'isolation thermique du filtre a particules

Info

Publication number: FR2941490A1
Application number: FR0900318A
Authority: FR
Inventors: Franck Alizon; Julien Ange Maestroni
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-07-30

Abstract

L'invention concerne une ligne d'échappement (30) de moteur à combustion interne (1), comportant, suivant le sens d'écoulement des gaz brûlés, un collecteur d'échappement (31) pour collecter les gaz brûlés émis par le moteur, et un filtre à particules principal (36) logé dans une enveloppe de protection (36A), dont une extrémité est raccordée au collecteur d'échappement par un conduit de jonction (34), et dont l'autre communique avec un conduit d'évacuation (35) des gaz brûlés dans l'atmosphère. Selon l'invention, la ligne d'échappement comporte un fourreau d'isolation (50) qui entoure ladite enveloppe de protection, en laissant un espace autour de cette dernière, et qui se raccorde, d'une part, au conduit de jonction, et, d'autre part, au conduit d'évacuation, pour permettre le passage de gaz brûlés autour de l'enveloppe de protection.

Description

1 DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le traitement des gaz brûlés émis par les moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement une ligne d'échappement de moteur à combustion interne, comportant, suivant le sens d'écoulement des gaz brûlés, un collecteur d'échappement pour collecter les gaz brûlés émis par le moteur, et un filtre à particules logé dans une enveloppe de protection, dont une extrémité est raccordée au collecteur d'échappement par un conduit de jonction, et dont l'autre communique avec un conduit d'évacuation des gaz brûlés dans l'atmosphère. Elle concerne également un moteur à combustion interne comportant un bloc-moteur équipé de cylindres, une ligne d'admission d'air frais dans les cylindres du bloc-moteur, et une telle ligne d'échappement des gaz brûlés hors des cylindres du bloc-moteur.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les gaz brûlés des moteurs à combustion interne contiennent divers éléments polluants qu'il convient de traiter ou de filtrer avant de rejeter ces gaz brûlés dans l'atmosphère. A cet effet, la ligne d'échappement d'un moteur comporte habituellement un convertisseur catalytique suivi, suivant le sens d'écoulement des gaz brûlés, d'un filtre à particules. Le convertisseur catalytique est revêtu d'un matériau catalytique pour oxyder, en présence d'oxygène, les hydrocarbures imbrûlés contenus dans les gaz brûlés.

Le filtre à particules permet quant à lui de filtrer et stocker les particules polluantes en suspension dans les gaz brûlés. L'accumulation de particules polluantes dans le filtre entrave toutefois l'évacuation des gaz brûlés, ce qui, à terme, engendre une surpression des gaz brûlés en amont du filtre, néfaste au bon fonctionnement du moteur à combustion interne.

II est alors connu de régénérer le filtre à particules en injectant du carburant (ou tout autre réducteur) dans la ligne d'échappement, de manière à provoquer une réaction d'oxydation très exothermique des hydrocarbures dans le convertisseur catalytique. Les gaz brûlés sortent par conséquent du convertisseur catalytique à une température élevée (de l'ordre de 630°C) et entrent dans le filtre à particules en brûlant les particules polluantes qui remplissent ce dernier. Toutefois, dans les lignes d'échappement du type précité, la température de l'enveloppe de protection du filtre à particules n'est pas homogène. En effet, lorsque le véhicule qui est équipé de ce filtre avance, l'air frais qui passe sous le véhicule refroidit certaines parties seulement de l'enveloppe de protection du filtre. En fonctionnement normal, la différence de températures entre les parties chaudes et froides de l'enveloppe de protection n'est pas suffisante pour causer des dommages sur le filtre. En revanche, lors des phases de régénération active du filtre, les différences de températures au sein du filtre peuvent être très importantes. Le premier risque est qu'une partie du filtre à particules n'atteigne pas une température suffisante pour brûler les particules polluantes stockées dans cette partie du filtre, au détriment de l'efficacité de la régénération. Le second risque est que, du fait de ces différences de températures, le filtre ne se déforme pas de manière homogène, au risque de se fissurer et de voir ses performances prématurément réduites.

OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose une nouvelle ligne d'échappement dans laquelle la température du filtre à particules est maîtrisée pour être homogène. Plus particulièrement, on propose selon l'invention une ligne d'échappement telle que définie dans l'introduction, comportant un fourreau d'isolation qui entoure ladite enveloppe de protection, en laissant un espace autour de cette dernière, et qui se raccorde, d'une part, au conduit de jonction, et, d'autre part, au conduit d'évacuation, pour permettre le passage de gaz brûlés autour de l'enveloppe de protection.

Ainsi, grâce à l'invention, le fourreau d'isolation définit un volume autour de l'enveloppe de protection du filtre à particules, dans lequel il est possible de faire circuler des gaz brûlés chauds afin de provoquer une montée en température homogène de l'ensemble de l'enveloppe de protection, et donc de l'ensemble du filtre à particules principal.

D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la ligne d'échappement conforme à l'invention sont les suivantes : - il est prévu un filtre à particules auxiliaire, distinct dudit filtre à particules principal, pour filtrer les gaz brûlés qui passent autour de l'enveloppe de protection ; - le filtre à particules auxiliaire présente une section d'entrée dont l'aire est supérieure à celle de la section d'entrée du filtre à particules principal ; - ladite enveloppe de protection et ledit fourreau d'isolation sont disposés co-axialement ; - le conduit de jonction comporte une vanne de dérivation pour réguler le débit de gaz brûlés qui circule entre ledit fourreau d'isolation et ladite enveloppe de protection ; - la vanne de dérivation présente deux états stables, dont un état fermé dans lequel l'ensemble des gaz brûlés traverse le filtre à particules principal, et un état ouvert dans lequel la majorité des gaz brûlés circule entre ledit fourreau d'isolation et ladite enveloppe de protection ; - la vanne de dérivation comporte un manchon qui est monté à translation sur le conduit de jonction pour obturer ou laisser libre une ouverture prévue en correspondance dans la paroi du conduit de jonction ; - le conduit de jonction est équipé d'un convertisseur catalytique qui est situé entre le collecteur d'échappement et l'entrée du fourreau d'isolation ; - ladite enveloppe de protection loge un convertisseur catalytique situé directement en amont du filtre à particules principal. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'une ligne d'échappement selon l'invention, équipée d'une vanne de dérivation représentée en état fermé ; - la figure 2 est une vue schématique de la ligne d'échappement de la figure 1, dans laquelle la vanne de dérivation est représentée en état ouvert ; - la figure 3 est une vue schématique d'une première variante de réalisation de la ligne d'échappement de la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue schématique d'une seconde variante de réalisation de la ligne d'échappement de la figure 1.

En préliminaire on notera que les éléments identiques ou similaires des différentes variantes de réalisation de l'invention représentées sur les différentes figures seront, dans la mesure du possible, référencés par les mêmes signes de référence et ne seront pas décrits à chaque fois. Dans la description, les termes amont et aval seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement des gaz frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés hors du moteur. L'invention s'applique à tout type de moteurs à combustion interne rejetant des particules polluantes à filtrer, et plus précisément à tout type de moteurs à combustion interne à allumage par compression (Diesel). Comme le montrent les figures 1 et 2, un tel moteur à combustion interne 1 comprend classiquement un bloc-moteur 10 pourvu de quatre cylindres 11.

En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne comporte une ligne d'admission 20 qui prélève l'air frais dans l'atmosphère et qui amène et répartit cet air frais dans chacun des cylindres 11 du bloc-moteur 10. En aval des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 30 de gaz brûlés qui collecte les gaz brûlés qui sortent de chacun des cylindres 11 et qui les évacue dans l'atmosphère après les avoir traités et filtrés. Cette ligne d'échappement 30 est à cet effet équipée d'un collecteur d'échappement 31, d'une turbine 32 de turbocompresseur, d'un convertisseur catalytique 33 et d'un filtre à particules principal 36. Le moteur à combustion interne comporte par ailleurs une ligne EGR de recirculation des gaz brûlés (non visible sur les figures) qui prend naissance dans la ligne d'échappement 30 et qui débouche dans la ligne d'admission 20. Il comporte également des injecteurs de carburant qui débouchent dans les cylindres 11 du bloc-moteur 10 ou, en variante, en amont des cylindres 11, dans la ligne d'admission 20.

II comporte enfin une unité de pilotage adaptée à piloter les différents organes du moteur, en particulier ici ses injecteurs de carburant. Tel que représenté sur les figures 1 et 2, le convertisseur catalytique 33 qui équipe la ligne d'échappement 30 est un catalyseur trois voies adapté à traiter les hydrocarbures imbrûlés HC, les oxydes d'azote NOX et le monoxyde de carbone CO contenus dans les gaz brûlés qui le traversent. Le filtre à particules principal 36 comporte quant à lui une architecture classique, avec un faisceau de tubes parallèles poreux, alternativement fermés en entrée et en sortie du filtre. Cette architecture permet de forcer le passage des gaz brûlés au travers des parois poreuses des tubes afin de retenir les particules polluantes contenus dans les gaz brûlés. Ce faisceau de tubes est logé dans une enveloppe de protection 36A cylindrique, réalisée en matière métallique. Cette enveloppe de protection 36A présente deux extrémités, dont une extrémité d'entrée des gaz brûlés et une extrémité de sortie qui communique avec un conduit d'évacuation 35 des gaz brûlés dans l'atmosphère. Pour guider les gaz brûlés depuis le convertisseur catalytique 33 jusque l'extrémité d'entrée de l'enveloppe de protection 36A, la ligne d'échappement 30 comporte un conduit de jonction 34 et un divergent 38 (également appelé cône d'arrosage). Le conduit de jonction 34, ici cylindrique, prend naissance à la sortie du convertisseur catalytique 33 et s'étend jusqu'à l'entrée du divergent 38. La sortie du divergent 38 se raccorde à l'extrémité d'entrée de l'enveloppe de protection 36A du filtre à particules principal 36. Le divergent 38 permet ainsi de répartir de manière uniforme les gaz brûlés sur toute la section d'entrée S6 de ce filtre à particules principal 36. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la ligne d'échappement 30 comporte un fourreau d'isolation 50 qui s'étend autour de ladite enveloppe de protection 36A, à distance de cette dernière, et qui présente une entrée 51 de gaz brûlés piquée sur le conduit de jonction 34 et une sortie 52 de gaz brûlés qui communique avec le conduit d'évacuation 35. Le fourreau d'isolation 50 et l'enveloppe de protection 36A définissent donc entre eux un volume d'isolation 55 pour le passage des gaz brûlés. Le fourreau d'isolation 50 présente une fonction de protection mécanique et thermique de l'enveloppe de protection 36A et du divergent 38. Les parois de ces derniers pourront donc présenter des épaisseurs réduites, ayant la faculté de monter en température très rapidement, sans risque de dégradation prématurée.

Le fourreau d'isolation 50 présente ici une forme tubulaire, de diamètre intérieur strictement supérieur au diamètre extérieur de l'enveloppe de protection 36A du filtre à particules principal 36. Il est avantageusement disposé coaxialement par rapport à cette enveloppe de protection 36A, de manière que le volume d'isolation 55 est régulièrement réparti tout autour de cette enveloppe.

Le fourreau d'isolation 50 est par ailleurs équipé, à l'une de ses extrémités, d'un cône d'entrée 53 dont l'extrémité libre se raccorde au conduit de jonction 34, entre le convertisseur catalytique 33 et le divergent 38, et, à l'autre de ses extrémités, d'un cône de sortie 54 dont l'extrémité libre se raccorde à l'entrée du conduit d'évacuation 35.

De cette manière, le cône d'entrée 53 du fourreau d'isolation 50 enveloppe une partie du conduit de jonction 34. La paroi de cette partie du conduit de jonction 34 est pourvue d'une ouverture 34A d'entrée des gaz brûlés dans le volume d'isolation 55. Cette ouverture 34A est en l'espèce formée par une découpe d'un tronçon de faible longueur du conduit de jonction 34.

Avantageusement, le conduit de jonction 34 comporte une vanne de dérivation 39 qui permet de réguler le débit de gaz brûlés passant au travers de cette ouverture 34A, afin de répartir les gaz brûlés vers le filtre à particules principal 36 et/ou vers le volume d'isolation 55. Cette vanne de dérivation 39 comporte ici un manchon qui est monté à translation sur le conduit de jonction 34 pour obturer ou laisser libre l'ouverture 34A prévue dans la paroi du conduit de jonction 34, et un actionneur pour commander en position le manchon 39. Ici, l'actionneur est piloté par l'unité de pilotage entre deux états stables, dont un état fermé dans lequel l'ouverture 34A est obturée par le manchon 39 de manière que l'ensemble des gaz brûlés issus des cylindres 11 traverse le filtre à particules principal 36, et un état ouvert dans lequel l'ouverture 34A est laissée ouverte de manière que la très grande majorité des gaz brûlés circule dans le volume d'isolation 55, entre le fourreau d'isolation 50 et l'enveloppe de protection 36A, en court-circuitant le filtre à particules principal 36. Préférentiellement, le fourreau d'isolation 50 ou le conduit d'évacuation 35 loge un filtre à particules auxiliaire 37 pour filtrer les gaz brûlés qui circulent dans le volume d'isolation 55 et qui, de ce fait, ne sont pas filtrés par le filtre à particules principal 36. Ici, ce filtre à particules auxiliaire 37 est logé dans le fourreau d'isolation 50, directement en aval du filtre à particules principal 36, de manière que les gaz brûlés n'aient pas le temps de refroidir lorsqu'ils passent d'un filtre à l'autre. Ce filtre à particules auxiliaire 37 se présente sous la forme d'un faisceau de tubes logé dans une enveloppe de protection de diamètre égal au diamètre du fourreau d'isolation 50. Ce faisceau de tubes présente ici une longueur inférieure à celle du faisceau de tubes du filtre à particules principal 36, au bénéfice de la compacité axiale de la ligne d'échappement 30. Il présente en revanche une section d'entrée S7 dont l'aire est supérieure à celle de la section d'entrée S6 du filtre à particules principal 36, de manière à ne pas générer une trop forte contre-pression des gaz brûlés dans le volume d'isolation 55.

Le procédé de pilotage du moteur à combustion interne 1 par l'unité de pilotage est le suivant. En mode de fonctionnement normal, la vanne de dérivation 39 est pilotée pour rester en état fermé (figure 1). Les gaz brûlés qui sortent des cylindres 11 du bloc-moteur sont donc oxydés dans le convertisseur catalytique 33, puis filtrés par le filtre à particules principal 36. A leur sortie de ce filtre principal 36, ils passent au travers du filtre à particules auxiliaire 37 puis sont évacués vers l'atmosphère par le conduit d'évacuation 35. Dans ce mode de fonctionnement, l'unité de pilotage acquiert le taux de chargement des deux filtres à particules 36, 37. Normalement, si le filtre à particules principal 36 rempli correctement son office, le taux de chargement du filtre à particules principal 36 évolue tandis que celui du filtre à particules auxiliaire 37 reste constant. Lorsque le taux de chargement du filtre à particules principal 36 dépasse un seuil critique et que les conditions de régénération des filtres (inhérentes au fonctionnement du véhicule) sont réunies, l'unité de pilotage commande l'ouverture de la vanne de dérivation 39 (figure 2). Les gaz brûlés sortent alors du conduit de jonction 34 par son ouverture 34A, et circulent dans le volume d'isolation 55, en réchauffant ainsi l'enveloppe de protection 36A du filtre à particules principal 36. Ils sont ensuite filtrés par le filtre à particules auxiliaire 37, qui commencent alors seulement à se charger en particules polluantes. Enfin, les gaz brûlés sont évacués dans l'atmosphère. L'unité de pilotage pilote alors les injecteurs de carburant, de manière qu'ils injectent un surplus de carburant dans les cylindres. La richesse du mélange d'air frais et de carburant dans les cylindres 11 augmente alors de telle sorte qu'un surplus de carburant sort des cylindres 11 sans avoir été brûlé. Ce surplus de carburant entre ensuite dans le convertisseur catalytique 33, ce qui provoque une réaction d'oxydation très exothermique du carburant. Les gaz brûlés sortent par conséquent du convertisseur catalytique à une température très élevée, de l'ordre de 650°C. Puis, l'ensemble de la ligne d'échappement montant en température, la température des gaz brûlés qui circulent dans le volume d'isolation 55 augmente jusqu'à atteindre une température seuil, par exemple égale à 630°C. Alors, l'unité de pilotage commande la fermeture de la vanne de dérivation 39. Les gaz brûlés passent alors à nouveau au travers du filtre à particules principal 36 puis au travers du filtre à particules auxiliaire 37, en brûlant les particules polluantes qui remplissent ces deux filtres. Ainsi, grâce au volume d'isolation 55 dans lequel stagnent des gaz brûlés à haute température, l'enveloppe de protection 36A présente une température homogène en tout point, de manière que les déformations du filtre sous l'effet de l'augmentation de température se produisent de manière homogène et contrôlée, sans risque de fissuration. La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. En particulier, selon une première variante de réalisation représentée sur la figure 3, on pourra prévoir que le convertisseur catalytique 40 soit situé, non pas en amont de l'enveloppe de protection 36A du filtre à particules principal 36, mais directement dans celle-ci. Dans cette variante, les pertes thermiques entre le convertisseur catalytique 40 et le filtre à particules principal 36 sont réduites. De cette manière, la température à partir de laquelle le filtre se régénère est plus rapidement atteinte, au bénéfice de la consommation en carburant du moteur et de la réduction de ses émissions de dioxyde de carbone. On comprend en revanche que, lorsque la vanne de dérivation est en état ouvert, les gaz brûlés qui circulent dans le volume d'isolation 55 ne sont pas réchauffés par le convertisseur catalytique 40. Lors de l'injection du surplus de carburant, ils peuvent toutefois atteindre une température de l'ordre de 500°C, ce qui suffit pour chauffer l'enveloppe de protection 36A de manière à éviter que le filtre à particules principal 36 ne se fissure. Selon une seconde variante de réalisation représentée sur la figure 4, on pourra prévoir que la ligne d'échappement 30 comporte deux convertisseurs catalytiques, dont un premier convertisseur catalytique 33 situé entre le collecteur d'échappement 31 et l'entrée 51 du fourreau d'isolation 50, et un second convertisseur catalytique 40 situé dans l'enveloppe de protection 36A, directement en amont du filtre à particules principal 36. Cette variante permet de combiner les avantages des lignes d'échappement représentées sur les figures 1 et 3. Plus précisément, grâce au premier convertisseur catalytique 33, les gaz brûlés qui traversent le volume d'isolation 55 sont au préalable réchauffés pour atteindre une température de l'ordre de 650°C. Par ailleurs, grâce au second convertisseur catalytique 40, les pertes thermiques entre le convertisseur catalytique 40 et le filtre à particules principal 36 sont réduites. Comme le montrent les figures 3 et 4, on pourra par ailleurs prévoir que le moteur comporte un injecteur de réducteur 41 situé dans la ligne d'échappement 30, en amont du convertisseur catalytique 40. Grâce à cet injecteur 41, il ne sera alors plus nécessaire de piloter les injecteurs de carburant pour qu'ils injectent dans les cylindres 11 un surplus de carburant. Le taux de carburant se diluant dans l'huile du bloc-moteur sera alors réduit.

Claims

REVENDICATIONS1. Ligne d'échappement (30) de moteur à combustion interne (1), comportant, suivant le sens d'écoulement des gaz brûlés : - un collecteur d'échappement (31) pour collecter les gaz brûlés émis par le moteur, et - un filtre à particules principal (36) logé dans une enveloppe de protection (36A), dont une extrémité est raccordée au collecteur d'échappement (31) par un conduit de jonction (34), et dont l'autre communique avec un conduit d'évacuation (35) des gaz brûlés dans l'atmosphère, caractérisée en ce qu'elle comporte un fourreau d'isolation (50) qui entoure ladite enveloppe de protection (36A), en laissant un espace autour de cette dernière, et qui se raccorde, d'une part, au conduit de jonction (34), et, d'autre part, au conduit d'évacuation (35), pour permettre le passage de gaz brûlés autour de l'enveloppe de protection (36A).
2. Ligne d'échappement (30) selon la revendication précédente, dans laquelle il est prévu un filtre à particules auxiliaire (37), distinct dudit filtre à particules principal (36), pour filtrer les gaz brûlés qui passent autour de l'enveloppe de protection (36A).
3. Ligne d'échappement (30) selon la revendication précédente, dans laquelle le filtre à particules auxiliaire (37) présente une section d'entrée (S7) dont l'aire est supérieure à celle de la section d'entrée (S6) du filtre à particules principal (36).
4. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite enveloppe de protection (36A) et ledit fourreau d'isolation (50) sont disposés co-axialement.
5. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le conduit de jonction (34) comporte une vanne de dérivation (39) pour réguler le débit de gaz brûlés qui circule entre ledit fourreau d'isolation (50) et ladite enveloppe de protection (36A).
6. Ligne d'échappement (30) selon la revendication précédente, dans laquelle la vanne de dérivation (39) présente deux états stables, dont un état fermé dans lequel l'ensemble des gaz brûlés traverse le filtre à particules principal (36), et un état ouvert dans lequel la majorité des gaz brûlés circule entre ledit fourreau d'isolation (50) et ladite enveloppe de protection (36A).
7. Ligne d'échappement (30) selon l'une des deux revendicationsprécédentes, dans laquelle la vanne de dérivation comporte un manchon (39) qui est monté à translation sur le conduit de jonction (34) pour obturer ou laisser libre une ouverture (34A) prévue en correspondance dans la paroi du conduit de jonction (34).
8. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le conduit de jonction (34) est équipé d'un convertisseur catalytique (33) qui est situé entre le collecteur d'échappement (31) et l'entrée (51) du fourreau d'isolation (50).
9. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite enveloppe de protection (36A) loge un convertisseur catalytique (40) situé directement en amont du filtre à particules principal (36).
10. Moteur à combustion interne (1) comportant un bloc-moteur (10) équipé de cylindres (11), une ligne d'admission d'air frais (20) dans les cylindres (11) du bloc-moteur (10), caractérisé en ce qu'il comporte une ligne d'échappement (30) des gaz brûlés selon l'une des revendications précédentes.