FR3032230A1 - Ensemble a deflecteur de gaz d'echappement situe en sortie de turbine de turbocompresseur - Google Patents

Ensemble a deflecteur de gaz d'echappement situe en sortie de turbine de turbocompresseur Download PDF

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Abstract

L'invention porte principalement sur un ensemble (10) destiné à être installé en sortie d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile comportant: - un conduit de décharge (15) associé à une vanne de décharge (16), et - un catalyseur (25) comportant un corps (26) et un pain catalytique (27) installé à l'intérieur dudit corps (26), caractérisé en ce que ledit ensemble comporte en outre un déflecteur (30) de gaz d'échappement situé en amont dudit pain catalytique (27), et en ce que ledit corps (26) dudit catalyseur (25) et ledit déflecteur (30) sont configurés de façon à pouvoir orienter les gaz d'échappement issus dudit conduit de décharge (15) dans une zone (31) pleine restreinte d'une surface externe dudit pain catalytique (27).

Description

ENSEMBLE A DEFLECTEUR DE GAZ D'ECHAPPEMENT SITUE EN SORTIE DE TURBINE DE TURBOCOMPRESSEUR [0001] La présente invention porte sur un ensemble à déflecteur de gaz d'échappement situé en sortie de turbine de turbocompresseur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les moteurs thermiques de véhicule automobile équipés d'un turbocompresseur pour leur suralimentation. [0002] Pour favoriser les économies d'énergie et minimiser les émissions de dioxyde de carbone et de particules polluantes, on tend à réduire la cylindrée des moteurs tout en cherchant à conserver une puissance au moins identique à celle des moteurs de cylindrée plus élevée (principe dit de "downsizing" en anglais). [0003] Afin de compenser la perte de cylindrée, les moteurs à cylindrée réduite sont généralement suralimentés au moyen d'un turbocompresseur. Dans une architecture classique de moteur suralimenté, un turbocompresseur comprend un compresseur et une turbine. Le compresseur permet de comprimer l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur. A cet effet, le compresseur est disposé sur le conduit d'admission en amont du moteur. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine disposée sur le conduit d'échappement, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. [0004] Dans un fonctionnement normal du turbocompresseur, on régule le débit des gaz d'échappement passant par la turbine et donc la puissance du compresseur via une vanne de décharge. Cette vanne de décharge permet de dévier une partie des gaz d'échappement dans un conduit de décharge correspondant qui court-circuite la turbine. [0005] Le document EP1612385 enseigne l'utilisation d'un diffuseur relié à la sortie de la turbine. Une ouverture est arrangée pour permettre aux gaz d'échappement issus du conduit de décharge de se mélanger avec les gaz d'échappement provenant de la turbine du turbocompresseur. A cet effet, la paroi du diffuseur située en vis-à-vis de la vanne de décharge forme un déflecteur, en sorte que les gaz issus du conduit de décharge sont répartis dans une zone annulaire au niveau d'un catalyseur. Une telle configuration présente toutefois l'inconvénient de ne pas permettre une montée rapide du catalyseur dans un fonctionnement au ralenti du moteur lorsque la majorité des gaz d'échappement est issue du conduit de décharge. [0006] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un ensemble destiné à être installé en sortie d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile comportant: - une sortie de roue de la turbine de turbocompresseur, - un conduit de décharge associé à une vanne de décharge, et - un catalyseur comportant un corps et un pain catalytique installé à l'intérieur dudit corps, caractérisé en ce que ledit ensemble comporte en outre un déflecteur de gaz d'échappement situé en amont dudit pain catalytique, et en ce que ledit corps dudit catalyseur et ledit déflecteur sont configurés de façon à pouvoir orienter les gaz d'échappement issus dudit conduit de décharge dans une zone pleine restreinte d'une surface externe dudit pain catalytique. [0007] Ainsi dans un fonctionnement au ralenti du moteur thermique, lorsque les gaz d'échappement proviennent principalement du conduit de décharge, l'invention permet, en concentrant le flux de chaleur des gaz d'échappement dans une zone réduite, d'initier rapidement la réaction chimique du catalyseur en particulier lors des démarrages à froid. Autrement dit, l'invention permet d'accélérer au maximum l'initiation de la réaction chimique en limitant les déperditions de chaleur avant que les gaz d'échappement impactent le pain catalytique. [0008] Selon une réalisation, ledit déflecteur est constitué par une tôle fine. [0009] Selon une réalisation, l'épaisseur de la tôle est comprise entre 4/10 et 8/10è" de millimètre. [0010] Selon une réalisation, ledit déflecteur est réalisé dans un matériau en acier inoxydable de type austénitique. Cela permet de limiter son épaisseur et ainsi son inertie thermique au maximum. [0011] Selon une réalisation, ledit déflecteur est découplé au moins partiellement dudit corps dudit catalyseur de manière à limiter le transfert par conduction thermique entre ces deux éléments. [0012] Selon une réalisation, des zones de soudure entre ledit déflecteur et ledit corps dudit catalyseur sont limitées. [0013] Selon une réalisation, ledit corps dudit catalyseur présente une forme coudée et comporte un décrochement situé du côté interne de la forme coudée. [0014] Selon une réalisation, ledit déflecteur et ledit corps dudit catalyseur sont configurés de telle façon que lorsque le débit des gaz échappement augmente avec la charge du moteur, les gaz d'échappement issus principalement de ladite sortie de ladite roue de turbine sont répartis de façon homogène sur ladite surface externe dudit pain catalytique. [0015] Selon une réalisation, ladite vanne de décharge et ladite sortie de roue de la turbine de turbocompresseur sont positionnés à l'intérieur d'un carter de ladite turbine connecté audit corps dudit catalyseur. [0016] Selon une réalisation, ledit déflecteur est pilotable de manière à adapter sa courbure en fonction de conditions de fonctionnement du moteur thermique. [0017] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0018] La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un ensemble à déflecteur de gaz d'échappement selon la présente invention lors d'un fonctionnement au ralenti du moteur thermique; [0019] La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un ensemble à déflecteur de gaz d'échappement selon la présente invention lors d'un fonctionnement en pleine charge du moteur thermique. [0020] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0021] La figure 1 montre un ensemble 10 selon l'invention destiné à être installé en sortie d'échappement comportant une roue de la turbine 11 de turbocompresseur située dans un carter de turbine 22 destinée à être entraînée par l'écoulement des gaz d'échappement. Cette roue de turbine 11 entraîne alors en rotation le compresseur (non représenté) par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. En outre, un conduit de décharge 15 est associé à une vanne de décharge 16. La sortie 19 de la roue de turbine 11 et la vanne de décharge 16 sont positionnées à l'intérieur du carter de turbine 22 connecté d'une part à un carter central 12 du turbocompresseur et d'autre part à un corps 26 d'un catalyseur 25. [0022] La liaison entre le carter de turbine 22 et le carter central 12 pourra par exemple être réalisée au moyen d'un collier de serrage 23 enserrant deux terminaisons coniques appartenant respectivement au carter de turbine 22 et au carter central 12. La liaison entre le carter de turbine 22 et le corps 26 pourra par exemple être réalisée au moyen d'un joint et d'un ensemble de vis correspondantes. [0023] Dans le carter de turbine 22, l'espace 221 dans lequel est positionnée la roue de la turbine 11 et l'espace 222 dans lequel débouche la sortie de la roue de la turbine 11 ainsi que le conduit de décharge 15 sont des espaces usinés dans la masse du carter 22. [0024] Dans un fonctionnement normal du turbocompresseur, on régule le débit des gaz d'échappement passant par la turbine et donc la puissance du compresseur au moyen de la vanne de décharge 16. Cette vanne 16 permet de dévier, lorsqu'elle est ouverte, une partie des gaz d'échappement dans le conduit de décharge 15 correspondant qui court-circuite la turbine. La vanne de décharge 16 située à l'intérieur de l'espace 222 est montée pivotante de manière à pouvoir être déplacée entre une position fermée obturant la sortie du conduit de décharge 15 et une position ouverte dégageant la sortie du conduit de décharge 15, de manière à autoriser le passage des gaz d'échappement issus du conduit de décharge 15. [0025] Par ailleurs, le catalyseur 25 comporte le corps 26 connecté au carter de turbine 22 et un pain catalytique 27 installé à l'intérieur du corps 26. En outre, un déflecteur 30 de gaz d'échappement est situé en amont du pain catalytique 27. Les termes "amont" et "aval" s'entendent par rapport au sens d'écoulement des gaz d'échappement depuis la roue de la turbine 11 jusqu'au pain catalytique 27. Le corps 26 du catalyseur 25 et le déflecteur 30 sont configurés de façon à orienter les gaz d'échappement issus du conduit de décharge 15 dans une zone 31 pleine restreinte du pain catalytique 27, et cela sans que les gaz d'échappement issus du conduit de décharge 15 viennent lécher la paroi du corps 26 du catalyseur 25 au niveau d'une jonction entre cette paroi et une périphérie externe du pain catalytique 27. Par zone pleine restreinte, on entend une zone 31 pleine de quelques centimètres carrés, de préférence comprise entre 2 et 5 centimètres carrés, qui a globalement la forme d'un disque fermé. Cette zone est située de préférence à proximité du centre de la surface extérieure du pain catalytique 27 tournée vers l'entrée des gaz d'échappement à l'intérieur du corps 26. [0026] A cet effet, le corps 26 du catalyseur 25 présente une forme coudée et comporte un décrochement 34 situé du côté interne de la forme coudée, c'est-à-dire du côté tourné vers le centre du ou des rayons de courbures définissant la forme coudée du corps 26 dans la partie située au niveau de la jonction entre le corps 26 et le carter de turbine 22. Ce décrochement 34 permet d'éviter que les gaz d'échappement issus du conduit de décharge 15 viennent impacter une zone 41 en forme de portion d'anneau située au niveau du côté interne de la forme coudée (à gauche sur la figure 1). [0027] Par ailleurs, le déflecteur 30 est courbé dans le même sens que le corps 26 de forme coudée. La courbure est telle qu'elle évite que les gaz issus du conduit de décharge 15 viennent impacter le pain catalytique 27 dans la zone 42 en forme de portion d'anneau située du côté externe de la forme coudée (à droite sur la figure 1), en orientant ces gaz vers la zone 31 restreinte. [0028] Ainsi, dans un fonctionnement au ralenti du moteur thermique, lorsque les gaz d'échappement proviennent principalement du conduit de décharge 15 du fait de l'ouverture de la vanne de décharge 16 (cf. flèche F1) et que le flux de gaz provenant de la sortie 19 de la roue de la turbine 11 est limité (cf. flèche F2), les gaz représentés sont concentrés dans la zone 31 restreinte de la surface externe du pain catalytique 27. Cela permet d'initier rapidement la réaction chimique du catalyseur 25 en particulier lors des démarrages à froid, en limitant les déperditions de chaleur avant que les gaz d'échappement impactent le pain catalytique 27. [0029] Le déflecteur 30 est constitué par exemple par une tôle fine d'acier inoxydable.
Par fine, on entend une tôle d'épaisseur comprise entre 4/10 et 8/10è" de millimètre. De préférence, le déflecteur 30 est réalisé dans un matériau en acier inoxydable de type austénitique. Cela permet de limiter son épaisseur et ainsi son inertie thermique au maximum. [0030] En outre, le déflecteur 30 est avantageusement découplé au moins partiellement du corps 26 du catalyseur 25 de manière à limiter au maximum le transfert de chaleur par conduction. A cet effet, les zones de soudure entre le déflecteur 30 et le corps 26 du catalyseur 25 sont limitées, en sorte que deux soudures consécutives sont séparées entre elles par un espace libre. On limite ainsi la surface de contact entre le déflecteur 30 et le corps 26 du catalyseur 25. [0031] Par ailleurs, comme cela est représenté sur la figure 2, dans un fonctionnement à pleine charge du moteur thermique, le débit des gaz échappement augmente avec la charge du moteur et génère des turbulences (cf. flèches F2). La configuration du déflecteur 30 et du corps 26 du catalyseur 25 permet alors de répartir les gaz d'échappement issus principalement de la sortie 19 de la roue de la turbine 11 du turbocompresseur de façon homogène sur la surface du pain catalytique 27 dans une zone étendue 36. Dans ce cas, le flux de gaz d'échappement sortant du conduit de décharge 15 est modéré du fait de la position partiellement ouverte de la vanne de décharge 16 (cf. flèches F1). [0032] Ainsi, le champ de température en amont du pain catalytique 27 devient plus homogène, ce qui permet d'éviter de générer de points chauds qui seraient néfastes pour la tenue du pain catalytique 27. [0033] Autrement dit, le déflecteur 30 et le corps 26 du catalyseur 25 sont configurés de manière à répartir de manière homogène les gaz d'échappement sur une zone étendue 36 pour obtenir une homogénéité du champ de température du pain catalytique 27 en phase de fonctionnement à pleine charge, et au contraire de manière à concentrer les gaz d'échappement dans la zone restreinte 31 en phase de ralenti pour accélérer les réactions chimiques dans le catalyseur 25. Dans ce mode de réalisation, la courbure figée du déflecteur 30 est une courbure déterminée de manière à permettre la concentration des gaz dans la zone restreinte 31 du pain catalytique à faible charge, tout en évitant la perturbation du flux de gaz d'échappement à pleine charge. [0034] Dans une variante de réalisation, le déflecteur 30 est pilotable de manière à adapter sa courbure en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Dans ce cas, il est possible d'augmenter la courbure du déflecteur 30 vers l'intérieur, suivant la flèche F3, de manière à réduire davantage la superficie de la zone 31 lors d'une phase de fonctionnement au ralenti. Lors d'un fonctionnement à pleine charge, la courbure est augmentée de manière que le déflecteur 30 revienne dans sa position initiale pour éviter les pertes de charge des gaz d'échappement.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS: 1. Ensemble (10) destiné à être installé en sortie d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile comportant: - une sortie (19) de roue de la turbine (11) de turbocompresseur, - un conduit de décharge (15) associé à une vanne de décharge (16), et - un catalyseur (25) comportant un corps (26) et un pain catalytique (27) installé à l'intérieur dudit corps (26), caractérisé en ce que ledit ensemble comporte en outre un déflecteur (30) de gaz d'échappement situé en amont dudit pain catalytique (27), et en ce que ledit corps (26) dudit catalyseur (25) et ledit déflecteur (30) sont configurés de façon à pouvoir orienter les gaz d'échappement issus dudit conduit de décharge (15) dans une zone (31) pleine restreinte d'une surface externe dudit pain catalytique (27).
  2. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit déflecteur (30) est constitué par une tôle fine.
  3. 3 Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la tôle est comprise entre 4/10 et 8/10è" de millimètre.
  4. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit déflecteur (30) est réalisé dans un matériau en acier inoxydable de type austénitique.
  5. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit déflecteur (30) est découplé au moins partiellement dudit corps (26) dudit catalyseur (25) de manière à limiter le transfert de chaleur par conduction thermique entre ces deux éléments (26, 30).
  6. 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que des zones de soudure entre ledit déflecteur (30) et ledit corps (26) dudit catalyseur (25) sont limitées.
  7. 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit corps (26) dudit catalyseur (25) présente une forme coudée et comporte un décrochement (34) situé du côté interne de la forme coudée.8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit déflecteur (30) et ledit corps (26) dudit catalyseur (25) sont configurés de telle façon que lorsqu'un débit de gaz échappement augmente avec une charge du moteur, les gaz d'échappement issus principalement de ladite sortie (19) de ladite roue de turbine (11) sont répartis de façon homogène sur ladite surface externe dudit pain catalytique (27). 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite vanne de décharge (16) et ladite sortie (19) de roue de la turbine (11) de turbocompresseur sont positionnées à l'intérieur d'un carter (22) de ladite turbine connecté audit corps (26) dudit catalyseur (25). 10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit déflecteur (30) est pilotable de manière à adapter sa courbure en fonction de conditions de fonctionnement du moteur thermique.
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