Brevet FR2619854A1 — publié le 19890303

La présente invention concerne des transformations apportées aux dispositifs classiques des systèmes d'échappement, en particulier -mais de façon pas nécessairement exclusive- ceux des moteurs à combustion interne à quatre temps, tels que les moteurs utilisés dans les véhicules o l'on cherche à améliorer les performances du moteur en tirant parti de l'énergie présente dans les gaz d'échappement. Il est bien connu que l'on peut augmenter la puissance de sortie d'un moteur en utilisant une longueur optimisée de conduite, adaptée à chaque cylindre d'un moteur à plusieurs cylindres. Ceci a été appliqué aussi bien au système d'admission qu'à celui d'échappement, ensemble ou à un seul d'entre eux. En fonction de la longueur choisie pour les conduites, il est possible d'augmenter la puissance de sortie du moteur pour une vitesse particulière donnée et autour de celle-ci, généralement vers la partie supérieure de la gamme de vitesses du moteur. En revanche, on n'obtient qu'une amélioration plus modeste des performances si l'on choisit ou "optimise" les longueurs de conduites sur une gamme de vitesses plus large. L'un des buts de la présente invention est de proposer une transformation d'un dispositif collecteur d'échappement conventionnel de moteur à plusieurs cylindres, non optimisé, qui permette d'améliorer les performances du moteur sans utiliser de conduite optimisée au sens o on l'entend généralement. A cet effet, la présente invention propose un système d'échappement comportant une conduite d'échappement primaire propre à être reliée à l'orifice de sortie ou d'échappement d'une culasse pour chaque cylindre du moteur, caractérisé par une conduite d'échappement secondairereliant une conduite d'échappement primaire d'un premier cylindre à la conduite d'échappement primaire d'un second cylindre, le dispositif étant tel que les gaz quittant le premier cylindre aient une influence sur les gaz se trouvant à l'orifice d'échappement du second cylindre pendant la course du temps d'échappement du second cylindre. Il est souhaitable que la conduite d'échappement secondaire provenant de l'un des cylindres rejoigne la conduite d'échappement primaire du cylindre suivant, considéré selon l'ordre d'allumage utilisé. De préférence, le moteur à plusieurs cylindres utilisé est du type à quatre temps, mais une utilisation dans les moteurs à deux temps n'est pas exclue. L'invention s'étend à un moteur à combustion interne combiné à un système d'échappement du type que l'on vient de définir. On va donner, à titre d'exemple, des descriptions de l'application de la présente invention à un moteur à combustion interne à quatre cylindres et à quatre temps, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une coupe partielle, prise à l'endroit de l'orifice d'échappement d'un cylindre d'un moteur à plusieurs cylindres auquel on a appliqué la présente invention, - la figure 2 est une configuration schématique d'un système d'échappement d'un moteur à plusieurs cylindres selon la présente invention, pour l'un des ordres d'allumage possible, - la figure 3 est une autre configuration du système d'échappement, convenant à un autre ordre d'allumage et à une disposition physique différente du moteur à l'intérieur du véhicule, et - la figure 4 montre une vue partielle latérale en élévation d'une forme possible de jonction de conduites telles que celles illustrées sur la figure 2, et _ la figure 5 montre une représentation graphique de la pression des gaz à la soupape d'échappement. Si l'on se réfère aux dessins, la figure 1 montre une coupe d'un chemin d'échappement typique dans une culasse de moteur à plusieurs cylindres auquel on a appliqué la présente invention. Une telle culasse, qui contient également un ou plusieurs orifices et soupapes, non représentés, d'admission des gaz, ferme le sommet du bloc-cylindre du moteur, o des pistons sont actionnés dans les cylindres de manière à accomplir les diverses parties d'un cycle de travail d'un moteur à quatre temps et convertir en couple et en puissance de sortie le travail des gaz pendant la partie du cycle correspondant à la course du temps de détente, via les bielles et le vilebrequin. La ou les soupape(s) d'échappement sont actionnées au moyen d'un arbre à cames, de la même façon que la ou les soupape(s) d'admission, non représentées, de manière à s'ouvrir et se fermer à des instants réguliers prédéterminés, fonction du mouvement du vilebrequin et du piston au cours de chaque cycle de travail. Les intervalles de distribution entre cylindres successifs sont déterminés pour un moteur donné par le nombre de cylindres, la disposition du vilebrequin et l'ordre d'allumage choisi. Chaque chemin ou orifice d'échappement a une conduite d'échappement fixée à l'endroit o il débouche de la surface 6 de la culasse, généralement par un épaulement boulonné. La figure 2 montre, de façon schématique, une configuration de conduites d'échappement selon la présente invention, pour un moteur à quatre cylindres travaillant sur le cycle à quatre temps, et dont l'ordre d'allumage est 1-2-4-3-1. Ici, le moteur 10 possède des conduites d'échappement primaires 12, 14, 16 et 18 reliées à l'orifice d'échappement de chaque cylindre respectif, avec des conduites d'échappement secondaires 20, 22, 24 et 26 représentées en tiretés, reliées à la conduite d'échappement primaire du cylindre précédent respectif, selon l'ordre d'allumage du moteur 10. Avec l'ordre d'allumage choisi pour ce moteur, ce sont les conduites 12 et 20, 14 et 22, 16 et 26 et 18 et 24 qui sont reliées par paires. Les extrémités des conduites d'échappement primaires et secondaires éloignées de la culasse sont reliées, entre paires respectives, à l'intérieur de boltiers de jonction 28 dont les côtés avals sont reliés à d'autres conduites 30, différentes, avant de rejoindre en 31 la conduite principale d'échappement du véhicule et le pot d'échappement 32. La figure 3 montre, de façon schématique, une autre configuration d'un système d'échappement selon les principes de la présente invention. Ici encore, cette configuration convient à un moteur à quatre cylindres à quatre temps, mais dans lequel on utilise l'ordre d'allumage 1-3-4-2-1. Sur cette figure, le moteur 10 possède des conduites d'échappement primaires 12, 14, 16 et 18 reliées respectivement aux orifices d'échappement des cylindres 1, 2, 3 et 4, avec des conduites d'échappement secondaires 20, 22, 24 et 26, représentées en tiretés, reliées chacune à la conduite d'échappement primaire du cylindre précédent, selon l'ordre d'allumage. Avec l'ordre d'allumage choisi, ce sont les conduites 12 et 20, 14 et 26, 16 et 22 et 18 et 24 qui sont reliées par paires. Les extrémités distales des conduites primaires et secondaires sont reliées, entre paires respectives, à l'intérieur de boîtiers de jonction 281, 282, 283 et 284. Dans cet exemple, les boîtiers de jonction 281 et 284 sont reliés à un autre boîtier de jonction 291 par les conduites et 38, tandis que les boîtiers de jonction 282 et 283 sont reliés par des conduites 36 et 37 au boîtier de jonction secondaire 292. Enfin, les boîtiers de jonction secondaires 291 et 292 sont reliés par des conduites 33 au boîtier de jonction 39, qui se relie à la conduite du véhicule et au pot d'échappement 32. Comme le but de la présente invention est d'utiliser l'énergie contenue dans les gaz d'échappement rejetés pour aider au rejet par les cylindres suivants, on met en oeuvre toute possibilité permettant de réduire la pression dans les conduites d'échappement secondaires. Tout d'abord, les conduites secondaires 20, etc. sont de préférence réalisées avec un diamètre légèrement plus important que les conduites primaires 12,etc. et sont coudées pour éviter la pression de rejet direct lorsque les gaz d'échappement sont rejetés par l'orifice d'échappement du premier cylindre. Si l'on dispose un déflecteur 34 du côté amont de la jonction oblique de l'entrée de la conduite secondaire près de l'orifice de la culasse, comme illustré figure 1, la pression à l'entrée de la conduite secondaire va être abaissée sous l'effet de la vitesse et de la déviation du flux dans la conduite primaire. Le déflecteur 34 peut être une plaque inclinée ou courbée soudée à la jonction des deux conduites. L'extrémité distale des conduites primaires peut être rétrécie comme illustré en 12 sur la figure 4, o ces conduites entrent dans les boîtier de jonction 28 de la figure 2. La vitesse due au rétrécissement de la conduite primaire augmente rapidement à l'intérieur du volume du boîtier de jonction 28, réduisant la pression statique résultante qui règne alors à l'extrémité distale de la conduite secondaire. Cette pression réduite est renvoyée par la conduite secondaire 26, ce qui fait chuter la pression à l'orifice d'échappement du cylindre n 3. Ceci aide alors à réduire rapidement la pression dans ce cylindre lorsque la soupape d'échappement s'ouvre. Ceci peut vouloir dire que l'on peut ouvrir la soupape d'échappement légèrement en retard par rapport à la normale, de manière à faire fournir au piston un travail légèrement plus élevé pendant la course du temps de détente. Simultanément, la contre-pression réduite régnant pendant la course du temps d'échappement du cycle du moteur va réduire le travail à fournir pour repousser les gaz d'échappement hors du cylindre. Les deux effets vont améliorer la puissance du moteur. En même temps, les pressions abaissées montrent une certaine amélioration du balayage des cylindres, se qui aura pour effet une certaine amélioration des performances. Dans la configuration illustrée figure 3, les conduites peuvent être disposées de la même manière qu'à l'intérieur des boîtiers de jonction 28 de la figure 2. Sur cette figure 3, les boîtiers de jonction 281, 282, 283 et 284 sont identiques, dans leur principe, à ceux de la figure 2 (boîtiers de jonction 28). On réalise la même configuration pour les boîtiers de jonction supplémentaires 291 et 292, ce qui devraient permettre d'avoir une légère réduction supplémentaire de pression à l'endroit des orifices d'échap- pement du moteur. Les expériences réalisées avec un moteur pourvu d'un système d'échappement selon la présente invention indiquent que l'on peut avoir dans le carburateur de plus petits jets de carburant que ceux qui conviennent à un moteur de série standard, ce qui donne en même temps un mélange plus pauvre et de meilleures performances du moteur. Comme on ne disposait pas d'une installation complète de banc de test de moteur, on a décidé d'effectuer des tests comparatifs sur un moteur Ford Kent de 1,6 litre équipant une Ford Merlyn Formula au moyen d'un dynamomètre de chassis. Le moteur Kent était pourvu de deux systèmes d'échappement de type compétition, l'un de structure conventionnelle et l'autre selon la présente invention. Les tests au dynamomètre de chassis comportaient dans chaque cas trois tests pour mesurer les émissions du véhicule "conduit" suivant un cycle conforme à la procédure ECE 15-04 pour les véhicules à moteur à essence, avec également quatre tests d'émission stationnaire équivalant à.des vitesses sur route de 40, 50, 60 et 90 km/h. Comme l'impose la procédure ECE 15-04, on a utilisé un échantillonneur à volume constant pour recueillir les échantillons de gaz d'échappement. On a également enregistré les émissions brutes d'échappement. Pour le réglage du dynamomètre d'essai, on a utilisé un réglage d'inertie de 2500 kgf (24500 N), avec un réglage de puissance de charge sur route de 2,4 kW a 50 km/h. Ce réglage de charge était basé sur les valeurs du tableau donnant les puissances de charge sur route en fonction de l'inertie et qui se trouve dans les directives ECE 15-04. Les données d'émission étaient basées sur les échantillons pris selon le procédé indiqué par ces spécifications. En outre, on a chiffré l'économie de carburant en utilisant une technique basée sur la conservation de la quantité de carbone. La première série de tests a été effectuée sur le véhicule tel que livré, avec un système d'échappement 4-en-1 et pot d'échappement. La seconde série de test a été exécutée en utilisant le système d'échappement modifié selon la présente invention. Pour les deux séries de tests, on a utilisé des réglages de carburateur et d'allumage identiques. On a obtenu, aussi bien pour le cycle d'essai européen que pour l'essai stationnaire, des résultats corrects et consistants aussi bien avec le système d'échappement standard qu'avec le nouveau système d'échappement. Résultats Pour simplifier les comparaisons, on a moyenné les résultats obtenus avec la Merlyn au cours des cycles d'essais européens ECE 15-04. Tableau I Résultats des essais en cycle européen ECE 15-04 Avec systere d'échappeoent Avec systè d'échappemnt standard selcn l'invention HC g/Ikn 10,67 11,58 NCx C/ lm 1,17 1,047 C O g / km 75,07 64,31 Consamtion de carbirant (kin/Vl) 10,03 8,57 Les résultats obtenus lorsque l'on fonctionne à l'état stationnaire (vitesses stationnaires) sont donnés sur le tableau II ci-dessous 8 2 619 Tableau II Comparaison des essais stationnaires Vitesse Avec systène d'échappement Avec systèn d'échappement I(kUt/h) standard selcn 1'invention 1 -n HC g/mln 1.2. 32 NOx g/mln 1.6 1.9 CO g/min 15.9 10.6 Cabt L/min 0.115 0.115 HC ci/min 0.93 1.05 NOx g/min 0.403 0.462 CO g/mln 1'.62 10.2 Carbt L/min 0.066 0.060 C HC g/mln 0.86 0.92 25.NOx g/min 0._28 0.172 CO g/min 13.76 13.02 arbt L/min 0.048 0.042 40 40 HC g/min 0.92 0.92 NOx g/min 0.056 0.056 CO g/min 13.75 12.14 Carbt L/minr. 0.039 0.036 Les résultats des essais en cycle européen montrent, lorsque l'on installe le système d'échappement selon la présente invention des réductions des niveaux d'émission de monoxyde de carbone (CO) et d'oxydes d'azote (NOx), avec en même temps une amélioration de 20 % de la consommation de carburant. De la même façon, les essais stationnaires montrent une amélioration des niveaux d'émission de monoxyde de carbone et une amélioration notable de la consommation de carburant. Le système modifié selon la présente invention offre, par rapport aux configurations classiques, des améliorations en ce qui concerne la puissance, l'économie et les émissions de gaz d'échappement. Il propose un système pouvant être modifié de manière à convenir à des différents moteurs et à des différentes conditions de fonctionnement, les impulsions et niveaux de pression relative dans les diverses branches du système d'échappement procurant des conditions d'échappement améliorées et un meilleur balayage des cylindres du moteur. ces améliorations, comme on peut le voir sur la courbe de la figure 5, proviennent d'une libération à haute pression des gaz lorsque la soupape d'échappement s'ouvre. Le but de la présente invention est d'utiliser cette impulsion de façon directe pour créer une pression négative qui peut aider au balayage du cylindre suivant, selon l'ordre d'allumage. Pour atteindre ce but, l'impulsion (qui transite à une vitesse de l'ordre de 600 m/s) prendra le chemin le plus direct qu'elle pourra. A partir de l'orifice, elle se propagera donc directement le long de la conduite en éloignement de l'orifice. Plus en aval dans cette conduite, l'impulsion va traverser la jonction ayant la structure telle que celle de la figure 4 et va créer une pression négative dans la conduite de plus grand diamètre aboutissant à cette jonction. Cette pression négative devient alors disponible, du fait de l'interconnexion, pour aider à l'évacuation du reste des gaz d'échappement dans le cylindre suivant, selon l'ordre d'allumage. Ensuite, de la même façon, l'impulsion à haute pression provenant de ce cylindre se déplacera en suivant le trajet le plus direct et, du fait de sa très grande vitesse, dépassera la pression négative disponible sur l'orifice d'échappement et, ici encore, prendra le chemin le plus direct et exercera son effet dans la jonction suivante. Le reste des résidus d'échappement sera alors dispersé par la pression négative créée par le cylindre précédent, permettant ainsi un balayage plus complet et une réduction de la charge de travail nécessaire au moteur pour évacuer ce cylindre. On obtient également, en admission, une évacuation plus complète et une réduction de la contamination de la charge. On peut voir le résultat de ce processus sur le tableau I ci-dessus par les émissions d'échappement modifiées et la consommation de carburant diminuée, pour une même charge de travail. On a mesuré une réduction corrélative de 10 à 15 % de la consommation de carburant avec un moteur Ford XR3i standard de 1600 cm3 équipé d'un système d'échappement selon la présente invention. REVENDICATIONS 1. Un système d'échappement pour un système de moteur à combustion interne, comportant une conduite d'échappement primaire propre à être reliée à l'orifice de sortie ou d'échappement d'une culasse pour chaque cylindre du moteur, caractérisé par une conduite d'échappement secondaire (20,22,24,26) reliant une conduite d'échappement primaire (12,14,16,18) d'un premier cylindre (1,2,3,4) à la conduite d'échappement primaire (16, 12,14,18) d'un second cylindre (3,1,2,4). 2. Le système d'échappement de la revendication 1, dans lequel la conduite d'échappement secondaire (20,22,24,26) de l'un des cylindres rejoint la conduite d'échappement primaire (12,14,16,18) du cylindre suivant, selon l'ordre d'allumage utilisé. 3. Le système d'échappement de l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la conduite d'échappement secondaire (20,22,24,26) a un diamètre supérieur à celui de la conduite d'échappement primaire (16,12,14,18). 4. Le système d'échappement de l'une des revendications précédentes, dans lequel la conduite d'échappement secondaire (20,22,24, 26) a son axe longitudinal incliné par rapport à l'orifice de sortie (6). 5. Le système d'échappement de l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu des moyens déflecteurs internes (34) , adjacents à la jonction des conduites d'échappement primaire et secondaire (12,14,16,18; 20,22, 24,26). 6. Le système d'échappement de l'une des revendications précédentes, dans lequel les extrémités des conduites primaire et secondaire de deux orifices de sortie différents quelconques (1,2,3 ou 4) aboutissent à un boîtier de jonction 12 - -IyO2619854 commun (28). 7. Le système d'échappement de l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu une pluralité de jeux de boîtiers de jonction (28) et un unique boîtier de jonction commun (31), en aval de ces jeux de boîtiers de jonction (28). 8. Le système d'échappement de l'une des revendications précédentes, dans lequel l'extrémité de la conduite primaire (12) éloignée de l'orifice de sortie et adjacente à un boitier de jonction (28) est plus étroite que le reste de cette conduite (12). 9. Un moteur à combustion interne, caractérisé par un système d'échappement selon l'une des revendications précédentes. 10. Un procédé pour faire fonctionner un moteur à combustion interne, caractérisé par les étapes consistant à: disposer un système d'échappement selon l'une des revendications précédentes, disposer des boîtiers de jonction (28) reliant à chacun des orifice de sortie (6) les conduites d'échappement primaires (12,14,16,18) et secondaires (20,22,24,26), relier les extrémités opposées des conduites à différents boîtiers de jonction respectifs (28) et créer une pression négative des gaz d'échappement dans les conduites secondaires respectives, de manière à renforcer l'échappement des gaz par tous les orifices de sortie (6).