Brevet FR2644510A1 — publié le 19900921

i La présente invention concerne un dispositif d'échappe- ment pour un moteur à combustion interne, utilisant les os- cillations de la pression déclenchée par le processus d' échappement dans le dispositif d'échappement en vue d'in- fluencer favorablement les conditions d'alimentation du mo- teur, ce dispositif comportant les composants tuyau d'échap- pement, diffuseur, partie cylindrique et contre-cône placés l'un après l'autre dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement, ainsi qu'un amortisseur d'échappement ou si- lencieux, cependant que l'élément de construction qui provo- que la réflexion positive de l'onde préliminaire de pression d'échappement est situé à une distance telle du canal d'échap- pement que l'onde de surpression générée contribue à la sura- limentation en retour du cylindre. On connait par le document DE-Literatur H. B5nsch, In- troduction à la technique de la motocyclette, Motorbuchverlag Stuttgart, pages 146/147 un dispositif d'échappement, qui, dans sa structure de base, est constitué de la partie inter- venant dans le rendement et de la partie d'amortissement. La partie intervenant dans le rendement se compose des composants canal d'échappement, tuyau d'échappement, diffuseur, partie cylindrique, obturateurs de réflexion et tuyau terminal, qui se succèdent. La partie concernant le rendement d'un disposi- tif d'échappement est responsable de manière déterminante de l'utilisation des mouvements d'oscillation de la pression des gaz d'échappement. Chaque composant a sa mission spécifique afin qu'on ob- tienne à l'échappement des conditions optimales de pression dans une large plage des vitesses de rotation. En considérant les composants, la marche de pression se présente de la ma- nière suivante: les gaz s'échappant de la sortie sous haute pression passent à travers le tuyau d'échappement et parvien- nent dans le diffuseur, o des réflexions négatives sont pro- voquées par l'élargissement brusque de la section transversa- le. Les ondes de dépression qui en résultent refluent en di- rection de la sortie et renforcent de ce fait le mouvement des gaz dans le cylindre. Mais, l'onde de pression d'échappe- ment n'est que partiellement réfléchie dans le diffuseur. La 2- partie de cette onde de pression qui n'est pas réfléchie parvient jusqu'aux obturateurs de réflexion o se produit une réflexion positive de l'onde de pression, renvoyant ainsi vers la sortie une onde de surpression. La mission de cette onde de surpression est de réexpédier dans le cylindre une charge fraîche perdue et de réaliser par conseéauent une post- suralimentation dynamique. Les ondes de compression générées dans le dispositif d'échappement se propagent à la vitesse du son. La longueur totale de la partie intervenant dans le rendement est d'après les documents DE-PS 946930 et DE-PS 964005 fixée de telle sorte que l'onde de pression positive réfléchie sur le compo- sant revienne au cylindre peu avant "sortie ferme". Dans les solutions techniques connues, les composants du dispositif d'échappement sont placés les uns après les autres dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, ce qui amène,en particulier pour de faibles vitesses de rotation de synchro- nisation, à de longs dispositifs d'échappement. Pour des vé- hicules à deux roues, ceci mène en partie à des difficultés quant au logement dans l'espace, ainsi qu'en ce qui concer- ne l'esthétique du véhicule, de même qu'à une importante sur- face rayonnant du bruit. Le problème de la présente invention revient à diminuer la longueur du dispositif d'échappement par la configuration et l'ordonnancement de la pièce intervenant dans le rendement et d'obtenir à la sortie du moteur à combustion interne une marche de pression telle qu'elle renforce de manière optimale le mouvement des gaz. Le fondement de la présente invention consiste en ce que les composants de la partie intervenant dans le rendement sont non seulement mis les uns après les autres dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement, mais encore imbriqués les uns dans les autres et par consé- quent placés les uns au-dessus des autres: ainsi l'onde di- recte de pression d'échappement change (2n + 1) fois de sens dans sa direction de propagation, avec un nombre pair 2n de réflexions négatives et n réflexions positives; en outre, de préférence, aucun obturateur de réflexion particulier pour garantir la fonction n'est prévu dans le compartiment de dé- tente dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement. Pour obtenir un renversement répété du sens de propagation de l'onde directe de pression des gaz d'échappement, le contre- cône est placé à la partie avant de la partie cylindrique à l'opposé de l'amortisseur d'échappement et est relié au dif- fuseur et au tuyau d'échappement, tandis que le diffuseur pénètre à travers le contre-cône et ce jusque sur une portion de la partie cylindrique, cependant que le diamètre à la sor- tie du diffuseur est plus petit que le diamètre de la partie cylindrique, ce qui conduit à la formation d'un passage annu- laire. Selon une autre forme de réalisation, la partie cylin- drique, dans laquelle pénètre le diffuseur et qui forme à la sortie de celui-ci un passage annulaire avec la partie cylin- drique, est ouverte à son extrémité avant et est partiellement fermée par une deuxième partie cylindrique de plus grand dia- mètre, de sorte qu'un deuxième passage annulaire est formé entre les deux parties cylindriques et que la deuxième partie cylindrique est reliée dans la direction de l'amortisseur d'échappement à la première partie cylindrique par un contre- cône et à l'extrémité avant au diffuseur et au tuyau d'échap- pement par un élément de construction, un contre-cône de pré- férence. Dans la partie cylindrique ou dans la zone du diffu- seur, on peut également prévoir comme contre-cônes des obtu- rateurs échelonnés en diamètre ou une paroi de réflexion. Le rapport des diamètres de la sortie du diffuseur et de la par- tie cylindrique se situe dans la zone de 0,85 à 0,65. Le dif- fuseur peut à sa sortie présenter une courbure favorisant l'écoulement. Entre le diffuseur et la partie cylindrique, l'on peut prévoir comme support une tôle support comportant une ouverture de passage. La distance entre la sortie du dif- fuseur dans la partie cylindrique et le commencement de 1' amortisseur d'échappement s'élève au minimum à 0,5 du diamètre de la partie cylindrique. Avec la réalisation conforme à l'invention de la partie intervenant dans le rendement du dispositif d'échappement, à l'intérieur de celle-ci, l'onde directe d'échappement change un nombre impair de fois, (2n + 1) fois, le sens de sa direc- tion de propagation, avant que l'onde réfléchie de pression d'échappement ne revienne à l'organe de sortie et ne contri- bue à améliorer le mouvement des gaz. Pour le changement de la direction de propagation, il se produit un nombre pair 2n de réflexions négatives et n réflexions positives. Il en ré- sulte de ce fait la possibilité pour la réflexion positive de ne pas se situer dans le sens d'écoulement des gaz d'échap- pement au rétrécissement de section transversale. Le change- ment répété de direction de l'onde de pression est admis pour réduire fondamentalement la longueur de la partie intervenant dans le rendement et pour obtenir simultanément un haut ren- dement. La présente invention va être décrite dans ce qui suit pour un exemple de réalisation. Les dessins correspondants représentent schématiquement des dispositifs d'échappement. La figure 1 présente un dispositif d'échappement pour un moteur à deux temps à combustion interne et un diagramme montrant un comportement optimal de la pression à la sortie, la figure 2 montre un dispositif d'échappement compor- tant des obturateurs échelonnés en diamètre, la figure 3 représente une autre réalisation d'un dispo- sitif d'échappement pour un moteur à combustion interne avec cinq changements de direction de propagation et un diagramme de pressions à la sortie, la figure 4 présente un dispositif d'échappement compor- tant une configuration de sortie du diffuseur favorisant l'écoulement, la figure 5 montre un dispositif d'échappement compor- tant un anneau support, la figure 6 représente un dispositif d'échappement pour un moteur à quatre temps à combustion interne et un diagramme de pressions à la sortie. Selon la forme de réalisation choisie et représentée, la partie d'un dispositif d'échappement intervenant dans le rendement se compose d'un tuyau d'échappement 3, d'un diffu- seur 4, d'une partie cylindrique 5 et d'un contre-cône 6. Le contre-cône 6 est placé à l'extrémité avant 10 de la partie cylindrique 5, opposée à l'amortisseur d'échappement 12 et le contre-cône 6 est en outre relié au diffuseur 4 et au tuyau d'échappement 3, de sorte que le contre-cône 6 est fer- mé. Le diffuseur 4 pénètre à travers le contre-cône 6 jusqu'à la section transversale 8 du compartiment de détente 11 de la partie cylindrique 5. Le diamètre dD du diffuseur 4 est dans la section transversale 8 plus petit que le diamètre dZ de la partie cylindrique 5. Le rapport des deux diamètres dD et dZ se situe entre 0,85 et 0,65. Eu égard au plus petit diamètre du diffuseur 4, un passage annulaire 7 est formé dans la sec- tion transversale 8 entre le diffuseur 4 et la partie cylin- drique 5. La longueur de réflexion d'après la figure 1 correspond à LR = LA + LK + LD + LZ + LG/2. Dans la figure 2, à la place du contre-cône 6 sont prévus des obturateurs 13 échelonnés en diamètre dans la partie cylindrique 5 dans la zone du diffu- seur 4, lesquels obturateurs sont fixés sur le diffuseur 4 ou sur la partie cylindrique 5. La figure 3 montre un dispositif d'échappement, dans lequel on a effectué à plusieurs reprises une imbrication des composants de la partie intervenant dans le rendement. Dans cette réalisation, la partie cylindrique 5, dans laquelle pénètre le diffuseur 4, qui forme avec celle- ci, à la sortie du diffuseur, dans la section transversale 8, un passage annulaire 7, est ouverte à son extrémité avant 10 et est entourée partiellement par une deuxième partie cylin- drique 14 de plus grand diamètre. Il en résulte de ce fait entre les deux parties cylindriques 5, 14 dans la section transversale 16 un deuxième passage annulaire 17. La partie cylindrique 14 est, en direction de l'amortisseur d'échappe- ment 12, reliée par un contre-cône 6 à la partie cylindrique et à l'extrémité avant 18 par l'intermédiaire d'un contre- cône 15 au diffuseur 4 et au tuyau d'échappement 3. On peut également prévoir comme contre-cône 15 une paroi droite. La longueur de réflexion d'après la figure 3 s'élève à: K K LR = LA + LK + LD +;LZi +ZLGi/2 avec K = 2 i=i i=K On peut également déduire de la figure 3 l'allure de la ré- flexion principale o se manifeste à cinq reprises le change- ment de direction de propagation de l'onde de pression. Le diffuseur 4 présente dans la figuré 4 une courbure 19 favori- sant l'écoulement. Dans la figure 5, on voit entre le diffuseur 4 et la partie principale 5, un obturateur ayant la forme d'une tôle support 20 comportant des ouvertures de passage 21. De ce fait, on peut d'une part obtenir un support du dif- fuseur 4 sur la partie cylindrique 5 et avoir d'autre part la possibilité en déterminant les surfaces des ouvertures de pas- sage 21 d'influencer, pour une même configuration d'échappe- ment, le tracé de la courbe des moments de couple et du ren- dement. L'éloignement entre la tôl1e support 20 et la section transversale 8 est à déterminer également en fonction du tra- cé souhaité. Dans les variantes présentées dans les figures 1 à 5, il existe également encore d'autres emplacements de réflexion, parmi les composants décrits, qui produisent la réflexion principale. Il faut- ainsi tenir compte dans toutes les réalisations des réflexions complémentaires à l'emplace- ment de jonction partie intervenant dans le rendement - amor- tisseur d'échappement. Dans la figure 5, il se produit encore de la même façon sur le contre-cône 6 une réflexion complémen- taire. C'est pourquoi, il faut déterminer la distance entre la section transversale 8 et le commencement de l'amortisseur d'échappement 12, ainsi que la distance entre la section transversale 16 dans la figure 3 et le point de fixation 9 du contre-cône 15, de manière que ces phénomènes de réflexion exercent une action positive complémentaire sur la marche de la pression réalisée à la sortie. La figure 6 représente une réalisation pour un moteur à quatre temps à combustion interne. La construction de base correspond à celle décrite dans la figure 1. Mais, il est intéressant ici que pendant la phase de sortie, aucune action négative de la réflexion, qui est à attendre de l'amortisseur d'échappement 12, n'intervienne dans la marche de la pression. C'est pourquoi, l'onde de pression réfléchie par l'amortis- seur d'échappement 12 ne devrait arriver à la soupape de sor- tie qu'après "sortie ferme". Il faut déterminer en conséquen- ce la distance entre la section transversale 8 et l'amortis- seur d'échappement 12. Le processus d'échappement s'analyse de la manière sui- vante dans le cas de la figure 1. L'onde préliminaire de pression d'échappement traverse le canal d'échappement 2 et le tuyau d'échappement 3. Cette onde de pression passe ensui- te dans le diffuseur 4. Des ondes de pression négatives (par- tie refluante de l'onde), qui facilitent efficacement le pro- cessus de balayage du cylindre, sont renvoyées à la sortie 1 par l'élargissement régulier de la section transversale du diffuseur 4. Dans la section transversale 8, l'onde directe de pression se trouve en présence d'un élargissement brusque de la section transversale, ce qui a pour conséquence une réflexion négative caractérisée, qui, d'une part, génère une onde de pression négative refluant vers la sortie 1 et, qui, d'autre part, se dirige en direction du contre-cône 6 comme une onde directe de dépression. La propagation de l'onde di- recte en est de ce fait modifiée. Eu égard au rétrécissement de la section transversale, l'onde de dépression, qui arrive sur le contre-cône 6, est réfléchie symétriquement, ce qui amène à nouveau un renversement de la direction de propaga- tion de l'onde de pression. A la section transversale 8, il existe pour l'onde de pression négative qui y arrive un brus- que élargissement de section transversale, qui amène le chan- gement de polarité de l'onde de pression. De ce fait, une sur- pression se dirige ensuite en direction de la sortie 1, c'est- à-dire que la direction de propagation de l'onde de pression a de nouveau changé. Cette onde de pression permet avec un réglage convenable une suralimentation du cylindre avant la fin du processus d'échappement. Le tracé représenté en ce qui concerne les réflexions dans la partie intervenant dans le rendement ne représente qu'un mécanisme simplifié. Une plura- lité d'autres réflexions se produisent encore à côté des phé- nomènes décrits. Ainsi,par exemple, des réflexions se produi- sent lors du reflux des ondes de pression dans le diffuseur 4, puisqu'il existe bien un rétrécissement régulier de section transversale ou bien, il faut tenir compte aussi des réfle- xions concernant la partie de l'onde de pression qui pénètre dans le compartiment de détente 11 de la partie cylindrique 5. Afin que la marche des réflexions de l'onde de pression, qui est décrite, puisse se réaliser avec un haut rendement, il est nécessaire d'optimiser dans la section transversale 8 le rapport des diamètres du diffuseur 4 et de la partie cylindrique 5. Pour garantir l'arrivée à la sortie 1 peu avant "sortie ferme" de l'onde de pression d'échappement réfléchie par le contre-cône 6, il faut déterminer les lon- gueurs de réflexion LR nécessaires pour le domaine souhaité des vitesses de rotation de synchronisation. La construction décrite, offre l'avantage, pour les moteurs à quatre temps à combustion interne notamment, de pouvoir obtenir à la soupape de sortie la marche de pression souhaitée, sans empêcher le libre échappement des gaz d' échappement à travers les chicanes dans le sens d'écoulement de ceux-ci. Tableau des références utilisées sur les dessins annexés 1 Sortie 2 Canal d'échappement 3 Tuyau d'échappement 4 Diffuseur Partie cylindrique 6 Contre-cône 7 Passage annulaire 8 Section transversale 9 Point de fixation Extrémité avant 11 Compartiment de détente 12 Amortisseur d'échappement 13 Obturateurs 14 Partie cylindrique Contre-cône 16 Section transversale 17 Passage annulaire 18 Extrémité avant 19 Courbure Tôle support 21 Ouverture de passage dD Diamètre du diffuseur dZ Diamètre de la partie cylindrique n = (1,2,3,4,....) LA Longueur du canal d'échappement LK Longueur du tuyau d'échappement LD Longueur du diffuseur LZ Longueur de la partie cylindrique LG Longueur du contre-cône 2 44510 En traits mixtes: allure de la pression En traits pleins: onde de surpression En tiretés: onde de dépression Selon l'axe + P: pression d'réchappement Ab Ouverture du canal d'échappement As Fermeture du canal d'échappement E5 Ouverture du canal d'admission U. Ouverture du canal de décharge Us Fermeture du canal de décharge UT Point mort inférieur REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échappement pour un moteur à combustion interne, utilisant les oscillations de la pression déclen- chées par le phénomène d'échappement dans le dispositif d'échappement pour renforcer le mouvement des gaz, constitué d'une partie intervenant dans le rendement, comportant les composants tuyau d'échappement, diffuseur, partie cylindri- que et contre-cône placés l'un après l'autre dans la direc- tion d'écoulement des gaz d'échappement, ainsi qu'un amortis- seur d'échappement, cependant que l'élément de construction qui provoque la réflexion positive de l'onde préliminaire de pression d'échappement est situé à une distance telle du ca- nal d'échappement que l'onde de surpression générée contri- bue à la suralimentation en retour du cylindre, caractérisé en ce que les composants de la partie intervenant dans le rendement sont non seulement mis les uns après les autres dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement, mais encore sont imbriqués les uns dans les autres et par consé- quent placés les uns au-dessus des autres, de sorte que l'on- de directe de pression d'échappement change (2n + 1) fois de sens dans sa direction de propagation avec un nombre pair 2n de réflexions négatives et n réflexions positives et en ce que de préférence aucun obturateur de réflexion particulier pour garantir la fonction n'est prévu dans le compartiment de détente dans la direction d'écoulement des gaz d'échappe- ment. 2. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour obtenir un renversement répété du sens de propagation de l'onde directe de pression des gaz d'échappement, le contre-cône (6) est placé à la partie avant de la partie cylindrique (5) à l'opposé de l'amortisseur d'échappement (12) et est relié au diffuseur (4) et au tuyau d'échappement (3) et en ce que le diffuseur (4) pénètre à travers le contre-c6ne (6) et ce jusque sur une portion de la partie cylindrique (5), tandis que le diamètre du diffuseur (4) est dans la section transversale (8) plus petit que le diamètre de la partie cylindrique (5), ce qui conduit à la formation d'un passage annulaire (7). 3. Dispositif d'échappement selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la partie cylindrique (5), dans laquelle pénètre le diffuseur (4) et qui forme à la sortie du diffuseur un passage annulaire (7) avec la partie cylindrique (5) est ouverte à son extrémité avant (10) et est partiellement fermée par une deuxième partie cylindri- que (14) de plus grand diamètre,, de sorte qu'un deuxième passage annulaire (17) est formé entre les deux parties cy- lindriques (5,14) et que la partie cylindrique (14) est re- liée dans la direction de l'amortisseur d'échappement (12) à la partie cylindrique (5) par un contre-cône (6) et à l'ex- trémité avant (18) au diffuseur (4) et au tuyau d'échappement (3) par un élément de construction, un contre-cône (15) de préférence. 4. Dispositif d'échappement selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on peut prévoir comme contre- cône (6) dans la partie cylindrique (5) ou dans la zone du diffuseur (4) des obturateurs (13) échelonnés en diamètre ou une paroi de réflexion. 5. Dispositif d'échappement selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans la section transversale (8), le rapport des diamètres du diffuseur (4) et de la partie cylindrique (5) (dD/dZ) se situe dans une zone de 0,85 à 0,65. 6. Dispositif d'échappement selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le diffuseur (4) présente à sa sortie une courbure (19) favorisant l'écoulement. 7. Dispositif d'échappement selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une tôle support (20) comportant des ouvertures de passage (21) est prévue entre le diffuseur (4) et la partie cylindrique (5). 8. Dispositif d'échappement selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la distance entre la section transversale (8) dans la partie cylindrique (5) et le commen- cement de l'amortisseur d'échappement (12) s'élève au mini- mum à 0,5 du diamètre de la partie cylindrique (5).