Brevet FR2587409A1 — publié le 19870320

La présente invention concerne d'une manière gé- nérale des collecteurs d'échappement prévus pour des mo- teurs à combustion interne, et plus particulièrement un col- lecteur d'échappement permettant une évacuation des gaz d'échappement à partir de cylindres opposés dans un moteur à cylindres opposés. Il s'est avéré que les moteurs à combustion in- terne à cylindres opposés sont avantageux étant donné que les forces produites par la combustion sont dirigées sui- vant des vecteurs opposés, ce qui entraîne une régulation des vibrations etun équilibrage des forces. De telles con- sidérations sont particulièrement importantes pour des mo- teurs utilisés dans un avion. Dans les moteurs à quatre cy- lindres opposés connus antérieurement, il était connu de raccorder entre elles deux tubulures d'échappement s'éten- dant à partir des orifices d'échappement d'un couple de cy- lindres opposés de manière à pouvoir utiliser des refoule- ments opposés sortant d' un orifice d'échappement de ma- nière à balayer l'air hors de ladite autre tubulure et de réduire l'effet de l'onde de raréfaction, qui est produite à la sortie de chaque tubulure d'échappement. Dans les mo- teurs à six cylindres, les trois tubulures d'échappement voisines étaientraccordées normalement entre elles, de cha- que côté, de manière à former un seul conduit commun. De façon typique, de telles tubulures sont des structures ri- gides à des fins de résistance et de stabilité et, peu- vent donc êtremisesen contrainte lorsqu'elles se dilatent, quand elles s'échauffent lors du fonctionnement du moteur. En outre on peut noter que, bien qu'à la fois le moteur et les conduits d'échappement fassent l'objet d'une dilatation thermique, la température du moteur peut être maintenue à environ 120 C, alors que les conduits d'échap- pement sont soumis à des températures nettement supérieu- res, qui sont de façon typique de l'ordre de 800 C. Il en résulte que, de façon typique, les conduits d'échappement font l'objet d'une dilation interne plus importante que le moteur. Cette différence peut entraîner l'apparition de con- traintes indésirables dans les tubulures, ce qui peut en- traîner, étant donné que ces tubulures sont réunies entre elles, une rupture ou tout autre endommagement indésirable du système d'échappement et du moteur. En outre, dans les moteurs à quatre cylindres opposés connus antérieurement, seules deux tubulures sont réunies entre elles de telle sor- te que les impulsions de refoulement dégagées par les cy- lindres voisins ne créent pas de problèmes supplémentaires d'onde de raréfaction dans le premier couple de cylindres. Dans les moteurs à six cylindres opposés connus antérieu- rement, seuls les trois tubulures voisines sont réunies en- tre elles de manière à éviter des problèmes supplémentai- res d'onde de raréfaction. En outre, dans les moteurs à turbo- compresseur, il est avantageux de réduire la perte de cha- leur des gaz d'échappement. Le problème de la perte de cha- leur peut être particulièrement accusé à des altitudes éle- vées. Il en résulte qu'il serait avantageux d'éviter de telles pertes, moyennant l'application d'un revêtement iso- lant sur le collecteur d'échappement. Malheureusement la rétention de la chaleur à l'intérieur du collecteur d'échap- pement aggrave la dilatation thermique différentielle en- tre les conduits d'échappement et le corps du moteur. La présente invention résoud les inconvénients mentionnés ci-dessus en fournissant un collecteur d'échap- pement prévu pour les moteurs à combustion interne à cylin- dres opposés et qui comprend des moyens perfectionnés pour compenser la dilatation thermique différentielle entre les conduits d'échappement et le corps du moteur. En outre cha- cun des conduits d'échappement est raccordé à un collec- teur ou à une chambre de tranquillisation commune, sans que ceci ait un effet nuisible sur la section d'évacuaticnde cha- que conduit individuel. En outre le collecteur d'échappe- ment conforme à la présente invention peut être utilisé pour faciliter le balayage des gaz d'échappement hors des cylindres auxquels ce collecteur est rattaché. D'une manière générale la présente invention com- prend des moyens formant conduits d'échappement servant à diriger un écoulement des gaz d'échappement hors de chaque cylindre, en direction d'un collecteur commun. Chacun des moyens formant conduit d'échappement comprend au moins deux sections qui sont raccordées l'une à l'autre par des moyens permettant de compenser la dilatation thermique dif- férentielle entre les différentes sections du conduit ain- si qu'entre les moyens formant conduits d'échappement et le corps du moteur. Lorsque les moyens formant conduits d'échappement sont exposés aux conditions ambiantes, les moyens de compensation peuvent être constitués par des par- ties en chevauchement d'une section d'un conduit, de maniè- re à former un joint de dilatation. D'autre part, si les moyens formant conduits d'échappement sont recouverts par une chemise thermique afin de retenir la chaleur, une ba- gue d'étanchéité est insérée entre les parties en chevau- chement des sections des conduits. De préférence l'organe d'étanchéité est une bague métallique possédant une sec- tion transversale essentiellement en forme de C. En outre, lorsque le moteur comporte une plura- lité de paires de cylindres opposes, la chambre de tranquillisation du collecteur est subdivisée par une cloison de sépara- tion de sorte que seuls les moyens formant conduits d'échap- pement situés d'un mnme côté du moteur sont en communication fluidique directe les uns avec les autres. Un tel agence- ment réduit de façon supplémentaire l'interférence produi- te par le balayage des gaz d'échappement hors des cylin- dres. Ainsi la présente invention fournit un collec- teur d'échappement, qui s'adapte aux dilata- tior thermique des matériaux dont le collecteur est cons- titué. En outre la présente invention permet de raccorder les uns aux autres une pluralité de paires d'orifices d'é- chappement de cylindres opposés, d'une manière qui facili- te de façon efficace le balayage des gaz d'échappement hors des cylindres. En outre le collecteur peut fonction- ner dans des conditions dans lesquelles la perte thermi- que se produisant à partir des conduits d'échappement est souhaitable, ou bien dans lesquelles la conservation de la chaleur à l'intérieur des conduits d'échappement est souhaitable pour le fonctionnement d'un turbo- compresseur. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexes, sur lesquels on a utilisé les mêmes chiffres de référence pour désigner des parties identiques sur les différentes figures, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue en plan d'un moteur A pistons opposés, à quatre cylindres, comportant un col- lecteur d'échappement conforme à la présente invention; - la figure 2 est une vue en plan d'un moteur à pistons opposés, à six cylindres, comportant une forme modifiée d'un collecteur d'échappement conforme à la pré- sente invention; - la figure 3 est une vue en coupe prise essen- tiellement suivant la ligne 3-3 sur la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe prise essen- tiellement suivant la ligne 4-4 sur la figure 2; et - la figure 5 est une vue en coupe prise essen- tiellement suivant la ligne 5-5 sur la figure 2. Ci-après on va donner une description détaillée d'une forme de réalisation préférée de la présente inven- tion. En se référant tout d'abord à la figure 1, on y voit représenté un collecteur 10 conforme à la présente invention, qui est utilisé dans un moteur à pistons oppo- sés, à quatre cylindres 12. Le moteur 12 comporte uncorps 14 qui comprend un bloc 16 et des éléments de culasse 18 qui forment ensemble une pluralité de cylindres 20. Cha- que cylindre 20 communique par l'intermédiaire d'un orifi- ce d'échappement tel que représenté schématiquement en 22 sur la figure 1 et qui est ouvert et fermé par des moyens (non représentés) constitués par des soupapes, d'une maniè- re bien connue. Le collecteur 10 comporte des moyens formant con- duits d'échappement 24 servant à diriger l'écoulement des gaz d'échappement à partir de chaque orifice 22, et un corps de collecteur 26 qui est fixé à uneextrémité de chacundes moyens formant conduits d'échappement 24, en étant en communica- tion fluidique avec ces derniers. Chacun des moyens for- mant conduits d'échappement 24 comporte une première sec- tion 28 apte à être logée dans l'extrémité d'une seconde section 30. L'autre extrémité de la section 28 du conduit peut comporter une partie d'extrémité évasée apte à être placée en contact avec une bride de fixation 32, qui fixe le conduit 28 au-dessus de l'orifice 22 au corps 14 du mo- teur, d'une manière bien connue. L'extrémité supérieure de la section 30 du conduit est soudée ou est fixée d'une au- tre manière au carter 26 du collecteur, de manière à être en communication fluidique avec ce dernier. Comme cela est mieux visible sur la figure 3, la liaison entre les sections 28 et 30 du conduit fournit un moyen de compenser la dilatation thermique des moyens formant conduits d'échappement 24, qui est supérieure à la dilatation latérale du corps 14 du moteur. Une partie d'ex- trémité 34 de la section 28 du conduit s'étend à l'inté- rieur d'une partie d'extrémité 36, de diamètre élargi, de la section 30 du conduit de sorte que les parties d'extré- mités 34 et 36 sont en recouvrement. A la température am- biante, un interstice diamétral 38 entre le pourtour de la 25874e9 partie d'extrémité 34 et la partie d'extrémité 36 existe entre les extrémités des sections du conduit. En outre la partie d'extrémité élargie 36 de la section 30 du conduit est légèrement plus longue que la partie d'extrémité intro- duite 34 de la section 28 du conduit, de manière & permet- tre à la section 28 de s'allonger à l'intérieur de la sec- tion 30 du conduit lorsque lesdites sections s'échauffent pendant le fonctionnement du moteur, sans variation subs- tantielle de la longueur des moyens formant conduits 24 depuis l'orifice d'échappement 22 jusqu'au corps 26 du col- lecteur. En outre, étant donné que la section 28 du con- duit est plus directement en contact avec les gaz d'échap- pement chauds libérés par le cylindre, cette section 28 se dilate lorsqu'elle est chauffée pendant le fonctionnement du moteur, de sorte qu'elle contacte et s'applique de fa- çon étanche contre le pourtour de l'extrémité 36 de la sec- tion 30 du conduit. Etant donné que la section 30 du con- duit est exposéeà l'air ambiant et perd de la chaleur plus librement que la section 34 du conduit, un contact serré d'étanchéité entre les sections 28 et 30 du conduit dans le joint de dilatation 35 empêche une fuite des gaz d'échap- pement. Dans la forme de réalisation préférée, l'intersti- ce radial 38 est compris dans la gamme se situant entre 0,005 centimètre et 0,02 centimètre avant le fonctionnement du moteur, bien que cet interstice soit essentiellement nul pendant le fonctionnement de ce dernier. L'interstice axial permettant l'allongement de la section 28 du conduit à l'intérieur de la section 30 de ce dernier est égal à en- viron 0,6 centimètre à la température ambiante et est for- tement réduit lors du fonctionnement du moteur. En se référant maintenant à la figure 2, on y voit représenté un collecteur 50 conforme à la présente in- vention et qui est fixé à un corps 52 d'un moteur à com- bustion interne a pistons opposés, & six cylindres. -De la même manière que cela a été décrit en référence à la figu- re 1, le corps 52 du moteur comporte le bloc et d'autres éléments de culasse, qui constituent les cylindres du mo- teur. En outre l'agencement des orifices d'échappement et du mécanisme à soupapes ouvrant et fermant les orifices peut être essentiellement le même que celui utilisé dans le moteur 12 de la figure 1. Cependant on comprendra que l'on a apporté au collecteur 50 plusieurs modifications qui ne sont pas représentées dans le collecteur 10 représenté sur la figure 1. Bien que le collecteur 50 comporte une pluralité de moyens formant conduits d'échappement 24 raccordant les orifices 22 à un corps de collecteur central 26, chacun des moyens formant conduit 24 comprend une première section de conduit 54 et une seconde section de conduit 56 raccordée par des moyens de raccordement à com- pensation thermique et réalisés sous la forme d'un joint de dilatation 77. La différence entre les section de con- duit 54 et 28 et les section de conduit 56et30 est re- présentée de façon plus détaillée sur la figure 4. En ou- tre, comme cela est représenté sur la figure 2, le collec- teur 50 comporte une chemise thermique réalisée sous la for- me d'une couche isolante 60, bien que certaines parties de cette chemise thermique aient été représentées en vue arra- chée afin de mieux conserver la clarté du dessin. Comme cela est mieux représenté sur la figure 4, une extrémité 62 de la section 54 du conduit est logée dans une extrémité 64 de la section 56 de ce conduit. Les parties d'extrémité 62 et 64 sont en recouvrement et déter- minent, de façon typique, un interstice radial 38 et un in- terstice axial 40, semblables à ceux représentés sur la fi- gure 2. En outre la partie d'extrémité 64 de la section 56 du conduit comporte une partie d'extrémité 66, qui est élar- gie radialement et qui accroît l'espace compris entre la section 56 et le pourtour de la section 54 du conduit. L'inter- stice 67 existant entre les parties de conduits66 et 62 re- çoit un organe d'étanchéité élastique 68 réalisé sous la forme d'une bague métallique possédant une section trans- versale essentiellement en forme de C. Le canal défini par la bajue s'ouvre vers l'interstice de diamètre réduit 38 présent entre les sections 56 et 54 du conduit. Pour l'insertion de l'organe d'étanchéité 68 dans l'interstice 67 formé entre la partie d'extrémité 64 et la partie d--extrémité- 62, -la section 54 du conduit comporte une partie saillante 69 s'étendant radialement vers l'ex- térieur en direction de la partie d'extrémité 66 de la sec- tion 56 du conduit, dans une position espacée de l'extré- mité axiale de la section 54 du conduit. De préférence la partie saillante 69 possède la forme d'un bombement péri- phérique s'étendant sur la périphérie de l'ensemble de la section 54 du conduit. La longueur axiale de l'interstice 67 permet un allcngent de la section 54 du conduit à l'in- térieur de la section 56 de ce dernier, comme cela a été décrit précédemment, au travers de l'interstice 40, sans déplacement de la bague d'étanchéité 68 par rapport à sa position opérationnelle. On notera que la chemise thermique 60 réduit es- sentiellement les pertes thermiques émanant à la fois de la section 54 et de la section 56 du conduit. Il en résul- te que la dilatation thermique radiale de la section 56 du conduit est essentiellement la même que la dilatation ther- mique radiale de la section 54 du conduit. Il en résulte que l'interstice 38 ne se ferme pas complètement pendant le fonctionnement du moteur. Néanmoins l'organe d'étanchéi- té 68 sert à empêcher la fuite des gaz d'échappement au ni- veau du joint de dilatation 77 représenté sur la figure 4. En se référant maintenant à la figure 5, on peut voir que la chairbre de tranq7isation70d-corps 26 du collecteur est sub- divisée en deux parties par une cloison de séparation 72. Il en résulte que seuls les moyens formant conduits d'échap- pement 24 situés d'un z,*e câab du moteur sont en communication fluidique réciproque au niveau du collecteur. De même, les moyens formant conduits d'échappement 24 situés sur le côté opposé du moteur sont accouplés, en étant en communi- cation fluidique directe, avec uniquement les moyens for- mant conduits d'échappement 24 provenant du même côté du moteur. Après avoir ainsi décrit les caractéristiques structurelles importantes de la présente invention, on va o10 expliquer aisément le fonctionnement du collecteur. Natu- rellement on comprendra que chacun des moyens formant con- duits d'échappement 24 possède une longueur prédéterminée entre son orifice d'échappement 22 et son ouverture débou- chant dans le corps 26 du collecteur. Pour une longueur pré- déterminée, chacun des moyens formant conduits d'échappe- ment 24 est accordé de telle sorte que l'impulsion pro- duite une fois que la soupape d'échappement s'ouvre ne per- turbe pas le balayage des gaz d'échappement hors des au- tres orifices d'échappement du moteur. En outre on admettraque les impulsionsréfléchiespar l'extrémité ouver- te de l'un des moyens formant conduits 24 produiJsentunera- réfaction intense qui se propage en retour jusqu'à l'ori- fice d'échappement. Ainsi chacun des moyens formant con- duits d'échappement 24 conformes à la présente invention est de préférence accordé de manière & garantir que l'on- de de raréfaction n'arrive pas au moment o elle est suscepti- ble d'interférer avec le dégagement des gaz d'échappement hors de l'orifice. En outre, dans la forme de réalisation préférée, la longueur est déterminée particulièrement de manière qu'un creux de l'onde produiseun état de basse pression au niveau de l'orifice pendant la période de chevauchement, lorsqu'à la fois la soupape d'échappement et la soupape d'admission sont ouvertes. Il en résulte que la basse pres- sion provoque un tirage qui entraîne l'air de force à tra- vers l'orifice d'admission et hors de l'orifice d'échappement, de manière à provoquer l'éva- cuation d'une quantité supplémentaire de gaz d'échappement à travers l'orifice d'échappement. Indépendammert de la manière dont la longueur opti- male de chacun des moyens formant conduits d'échappement 24 est détermind, on comprendra que les joints de dilata- tion 35 et 77 conformes à la présente invention permettent de réaliser un ajustement des conduits du point de vue de la dilatation thermique des matériaux, sans s'écarter de façon substantielle de la longueur optimale requise pour les conduits. En outre chacun des joints de dilatation 35 et 77 fournit des moyens d'étanchéité entre la pre- mière section du conduit et la seconde section de ce der- nier, de manière à empêcher une fuite du gaz d'échappement dans toutes les conditions de fonctionnement. En outre, lorsqu'on utilise une cloison de séparation 72 de la maniè- re représentée sur la figure 5, on comprendra que les im- * pulsions de refoulement provenant d'un côté du moteur n'in- terfèrent pas avec les impulsions de refoulement ou le ba- layage des gaz d'échappement intervenant à partir du côté opposé du moteur. En outre on comprendra que, lorsque l'on désire une concentration de la chaleur dans le collecteur d'échap- pement, comme dans le cas o un turbocompresseur doit être utilisé avec le moteur, le joint de dilatation thermique perfectionné 77 permet d'adapter la dilatation thermique différentielle au niveau des mo- yens formant conduits 24 et empêche la fuite des gaz d'échappement hors dudit joint de dilatation. Il en résulte que, même lorsque le moteur fonctionne à des alti- tudes élevées, o la pression régnant à l'extérieur des moyens formant conduits 24 est nettement inférieure à la pression régnant à l'intérieur desdits conduits, la fuite des gaz d'échappement peut être évitée par les joints de dilatation prévus dans le collecteur conforme à la présen- te invention. De nombreuses modifications apparaîtront à l'évi- dence aux spécialistes de la technique, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Systèie d'échappement pour un moteur à cylindre osés (12) comxor- tant au moins deux cylindres (20) situés dans le corps (14; 52) du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moinsunmo- yen formant conduit d'échappement (24) prévu pour chaque cylindre afin de diriger l'écoulement des gaz d'échappe- ment hors de ce cylindre, des moyens (28; 54) servant à raccorder une extrémité de chacun desdits moyens formant conduits d'échappement (24), selon une liaison fluidique, à son cylindre respectif (20), et des moyens de collecte (10; 70) définissant une chambre unique raccordée, selon une liaison fluidique, à l'autre extrémité de chacun des- dits moyens formant conduits d'échappement (24), chacun desdits moyens formant conduit d'échap- pement (24) comportant des moyens (35, 77) servant à compen- ser la différence entre la dilatation thermique desdits mo- yens formant conduits d'échappement (24) et la dilatation thermique dudit corps (14; 52) du moteur. 2. Système d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits moyens formant con- duits d'échappement (24) comporte une première section (28; 54), une seconde section (30; 56) et des moyens servant à raccorder ladite première section du conduit à ladite se- conde section de ce dernier selon une liaison fluidique, lesdits moyens de raccordement incluant lesdits moyens de compensation (35; 77). 3. Système d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'accouplement com- prennent des moyens (68) servant à établir une étanchéité vis-à-vis de fuites entre ladite première section (54) et ladite secondee section (56) du conduit d'échappement. 4. Système d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite première section (28; 54) du conduit d'échappement comporte une première partie d'ex- trémité (34; 62) dimensionnée de manière à être logée dans une extrémité (36; 66) de ladite seconde section (30; 56) du conduit d'échappement, avec un jeu moyen prédéterminé entre ces parties d'extrémité, et que chacune desdites sec- tions du conduit est exposée aux conditions ambiantes, ce qui a pour effet que ladite première partie d'extrémité (34; 62) de ladite première section (28; 54) du conduit d'échap- pement se dilate de manière à s'appliquer de façon étanche contre ladite extrémité (36; 66) de ladite seconde sec- tion (30; 56) du conduit d'échappement, lorsque lesdites sections du conduit sont chauffées pendant le fonctionne- ment du moteur. 5. Système d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde section (56) du con- duit d'échappement comporte une partie d'extrémité élargie (66) possédant un diamètre supérieur à la partie d'extré- mité voisine (62) de la première section (54) du conduit d'échappement de manière à loger cette partie d'extrémité voisine (62), et qu'il est en outre prévu un organe d'étan- chéité élastique (68) inséré entre ladite partie d'extré- mité élargie (66) de ladite seconde section du conduit et ladite partie d'extrémité voisine (62) de ladite première section du conduit. 6. Système d'échappement selon la revendication , caractérisé en ce que ledit organe d'étanchéité (68) est constitué par une bague annulaire possédant une section transversale essentiellement en forme de C. 7. Système d'échappement selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite bague est constituée en un métal. 8. Système d'échappement selon la revendication , caractérisé en ce que ladite partie d'extrémité voisine (62) de ladite première section du conduit d'échappement comporte une partie saillante périphérique (69) distante de l'extrémité axiale de ladite première section du con- duit d'échappement et que ledit premier organe d'étanchéi- té (68) est disposé entre cette partie saillante (69) et ladite extrémité axiale. 9. Système d'échappement selon la revendication , caractérisé en ce que chacun desdits moyens formant con- duits d'échappement (24) est recouvert, sur son pourtour, par une couche isolante (60). 10. Système d'échappement selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit moteur (12) comprend un tur- bocompresseur. 11. Système d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens formant chambre de collecte (70) comprennent une paroi de séparation (72), qui subdivise cette chambre en une première et une seconde par- ties, que chacun desdits moyens formant conduits d'échap- pement (24) raccordés à un cylindre (20) d'un côté dudit moteur est raccordé à ladite première partie de la cham- bre et que chacun desdits moyens formant conduits d'échap- pement (24) raccordés à un cylindre du côté opposé dudit moteur est raccordé à ladite seconde partie de la chambre. 12. Système d'échappement selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit moteur comporte au moins six cylindres. 13. Système d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits moyens d'échappe- ment (24) possède une longueur prédéterminée, ladite lon- gueur prédéterminée constituant un moyen servant à réaliser un balayage des gaz d'échappement hors dudit cylindre. 14. Système d'échappement selon la revendication 13, caractérisé en ce que chacun desdits cylindres (20) du moteur comporte un orifice d'admission et que le moteur (12) comporte des moyens pour fermer et ouvrir ledit ori- fice d'admission, des moyens pour fermer et pour ouvrir un orifice d'échappement (22) et des moyens pour réaliser la synchronisation de l'ouverture et de la fermeture desdits orifices d'admission et d'échappement de telle sorte qu'il existe un chevauchement entre l'ouverture de l'orifice d'échappement et l'ouverture de l'orifice d'admission, et que ledit élément de longueur prédéterminée desdits moyens d'échappement (24) forme un guide d'ondes, apte à transmet- tre un creux de basse pression d'une onde de raréfaction au moment dudit chevauchement.