Brevet FR2738289A1 — publié le 19970307

DISPOSITIF D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention se rapporte à un dispositif d'échappement pour les moteurs à combustion interne multicylindres destinés notamment à équiper les véhicules automobiles, et plus particulièrement à un dispositif d'échappement des gaz de combustion adapté pour permettre un amorçage rapide du pot catalytique. Classiquement, le dispositif d'échappement des gaz de combustion d'un moteur à combustion interne multicylindre comprend des conduits ou pipes d'échappement ménagés dans la culasse, un collecteur d'échappement fixé à la culasse et la ligne d'échappement proprement dite formée de tubes, de pots de détente, silencieux, etc.. qui s'étend jusqu'à la bouche de sortie à l'air libre. Pour diminuer la teneur en produits polluants contenus dans les gaz de combustion rejetés à l'atmosphère, l'industrie automobile a adopté l'utilisation de dispositifs de dépollution traitant par conversion catalytique les composants nocifs des gaz de combustion. Ces dispositifs, encore appelés pots catalytiques, disposés sur la ligne d'échappement sont le siège de réactions chimiques d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés HC et du monoxyde de carbone CO ainsi que de réduction des oxydes d'azote NOx. Toutefois, de telles réactions catalytiques ne peuvent pas s'amorcer en deçà d'un certain niveau de température. I1 s'ensuit donc, notamment lors des démarrages à froid, une phase de fonctionnement plus ou moins longue pendant laquelle les produits polluants contenus dans les gaz de combustion ne sont pas ou insuffisamment traités. On peut ainsi estimer que 80 à 90% des polluants émis lors d'un cycle de fonctionnement du moteur, l'ont été pendant les deux premières minutes de fonctionnement du moteur. Différentes solutions ont été proposées pour remédier à cet inconvénient. On peut citer parmi les plus performantes, les systèmes d'injection d'air à l'échappement pour provoquer la post-combustion des gaz brûlés et accélérer la montée en température du pot catalytique. En effet, l'apport d'air combiné à la présence d'une quantité résiduelle de carburant dans les gaz brûlés provoque des réactions de post-combustion exothermiques qui augmentent sensiblement la température de ces derniers et donc accélèrent la montée en température des catalyseurs qu'ils balayent. Cet apport d'air extérieur, pour être efficace, doit toutefois se faire le plus près possible de la sortie des chambres de combustion du moteur, de façon à utiliser au mieux l'énergie thermique des gaz de combustion. On peut également citer les moyens de chauffage ou préchauffage électriques ou électromagnétiques des pots catalytiques tels que décrits dans les demandes de brevet WO-A-90/14507, WO-A-92/02714 ou encore EP-A-465.184. Le document WON90/02250 prévoit quant à lui l'utilisation d'un catalyseur dit de démarrage chauffé utilisé uniquement tant que les gaz de combustion n'ont pas atteint une température suffisante, des moyens déf lecteurs de courant dirigeant les gaz de combustion en fonction de leur température vers le catalyseur de démarrage ou dans une voie de contournement. Ces solutions ont pour inconvénients d'impliquer des modes de réalisation onéreux et de nécessiter pour fonctionner un apport d'énergie électrique plus ou moins important. Une autre solution pour accélérer la montée en température du catalyseur consiste à rapprocher ce dernier des chambres de combustion de façon à limiter les pertes thermiques et à conserver une température élevée aux gaz de combustion entrant dans le pot catalytique. Cette dernière solution particulièrement peu coûteuse puisqu'aucun dispositif supplémentaire n'est nécessaire, s'avère toutefois difficile à mettre en oeuvre du fait des dimensions relativement importantes du collecteur d'échappement s'étendant entre la culasse et la ligne d'échappement où est implanté le pot catalytique. La présente invention a donc pour but de remédier à ces divers inconvénients grâce à un dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne qui permet une montée extrêmement rapide en température du pot catalytique et qui soit simple et économique à réaliser. Le dispositif d'échappement selon l'invention pour moteur à combustion interne multicylindre comprend des conduits d'échappement ménagés dans la culasse du moteur, un collecteur d'échappement et une ligne d'échappement munie d'un pot catalytique, chacun des conduits d'échappement met en communication une chambre de combustion à travers au moins un orifice formant le siège d'une soupape d'échappement à tige, avec la face latérale d'échappement de la culasse sur laquelle vient se fixer le collecteur d'échappement. Selon l'invention, le dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne est caractérisé en ce que les conduits d'échappement debouchent dans une capacité de volume adapté, cette capacité étant divisée en deux parties portées respectivement par la culasse et le collecteur d' échappement. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la capacité est définie par la réunion d'une première cavité ménagée dans le corps de la culasse et d'une seconde cavité correspondante ménagée dans le collecteur d'échappement. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la première cavité s'étend parallèlement à l'axe longitudinal de la culasse et débouche sur la face latérale d'échappement de cette dernière par une ouverture oblongue. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les conduits d'échappement s'étendant entre les chambres de combustion et la première cavité sont de longueur réduite, inférieure à 50 mm. Selon une autre caractéristique du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, le collecteur d'échappement est formé par un boîtier à l'intérieur duquel s'étend la seconde cavité entre une ouverture d'entrée oblongue correspondant à l'ouverture de sortie de la première cavité ménagée dans la culasse et une ouverture de sortie destinée à être raccordée à la ligne d'échappement. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la culasse présente des passages d'injection d'air débouchant d'une part, dans un canal de distribution d'air ménagé dans la face d'échappement de la culasse au voisinage de l'un des bords de l'ouverture de sortie de la première cavité et d'autre part, dans les conduits d'échappement au voisinage des chambres de combustion. Selon encore un autre mode de réalisation du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les conduits d'échappement ménagés dans la culasse sont incurvés en direction du plan transversal médian de cette dernière. Selon encore un autre mode de réalisation du dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la culasse présente un conduit de recirculation des gaz de combustion s'étendant entre une extrémité de la première cavité et une face de la culasse sur laquelle vient se fixer la vanne EGR. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de différents modes de réalisation de l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en perspective présentant la face échappement d'une culasse de moteur à combustion interne selon l'invention la figure 2 est une vue en coupe partielle de la culasse ainsi que du collecteur d'échappement qui lui est fixé, suivant la ligne II-II de la figure 1 la figure 3 est une vue en coupe partielle de la culasse, suivant la ligne III-III de la figure 1 la figure 4 est une vue en perspective du collecteur d'échappement selon l'invention. Pour faciliter la lecture des dessins, les mêmes pièces portent les mêmes références d'une figure à l'autre. Par ailleurs, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention -ont été représentés. En se reportant aux figures 1 à 3, on voit une partie de la culasse 1 d'un moteur à combustion interne de type à quatre cylindres en ligne (à allumage commandé ou à allumage par compression) destiné par exemple à équiper un véhicule automobile. Les chambres de combustion 3 de la culasse 1 de type à flux croisé (cross-flow) communiquent donc par des ouvertures servant de sièges à des soupapes actionnées par des cames appropriées respectivement d'admission et d'échappement, avec les faces latérales opposées de la culasse à travers des conduits ou pipes respectivement d'admission et d'échappement s'étendant transversalement par rapport à l'axe longitudinal de la culasse 1. Selon l'exemple figuré, chaque conduit d'échappement 4 débouche dans sa chambre de combustion respective 3 par deux orifices distincts 5 et 6 de type siamoisés pal l'intermédiaire d'une partie d'extrémité formant deux branches réunies en Y. Bien évidemment cette disposition n'est pas exclusive de la présente invention, celle-ci s'applique également à des culasses ne présentant qu'un orifice d'échappement par chambre de combustion ou encore présentant deux orifices ou plus par chambres de combustion associés à des conduits d'échappement séparés. L'autre extrémité des conduits d'échappement 4 s'étendant à l'opposé de la chambre de combustion 3, débouche dans une cavité collectrice 7 ménagée dans le corps de la culasse 1 et s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal de cette dernière. La cavité 7 dans laquelle débouche tous les conduits d'échappement 4, est agencée de façon à ne pas augmenter les dimensions transversales de la culasse 1 par rapport aux solutions antérieures. Il en résulte que les conduits d'échappement 4 ménagés dans la culasse sont de longueur extrêmement réduite, inférieure à 50 mm. La cavité 7 venue directement de moulage débouche sur la face latérale 10 de la culasse 1, dite face d'échappement, par une ouverture oblongue 17 s'étendant sensiblement sur toute la longueur de la cavité 7 pour être raccordée à un collecteur d'échappement correspondant 8 auquel est connectée la ligne d'échappement non figurée qui est équipée classiquement d'un pot destiné au traitement catalytique des gaz d'échappement. Conformément aux figures 2 et 4, on voit que le collecteur d'échappement 8 est constitué essentiellement par un boîtier oblong 9 venant se fixer sur la culasse 1, ce boîtier définissant une cavité 14 à l'intérieur de laquelle circulent librement les gaz brûlés. Le boîtier 9 comporte une ouverture d'entrée 12 correspondant sensiblement à l'ouverture 17 de la cavité 7 et une ouverture de sortie 13 formée par exemple dans la partie centrale du boîtier 9, cette ouverture de sortie 13 étant destinée à être raccordée à la ligne d'échappement par l'intermédiaire d'un embout adapté. Le collecteur 8 est réalisé par fonderie ou bien encore à partir de tôles d'acier embouties mécano-soudées. Il présente une bride de fixation 11 entourant l'ouverture 12 du boîtier 9, permettant le vissage du collecteur 8 sur la culasse 1 avec interposition d'un joint d'étanchéité non figuré. La cavité 14 communique donc directement avec la cavité 7 intégrée dans la culasse 1 pour définir une capacité unique encore appelée plenum dans laquelle débouchent tous les cylindres. Cette capacité positionnée très près des soupapes d'échappement, a pour effet de réduire d'une part, la surface de paroi au contact des gaz brûlés et d'autre part, la vitesse d'écoulement de ces derniers, ce qui permet de réduire singulièrement le refroidissement des gaz brûlés notamment lors des fonctionnements à faibles charges où l'incidence de ces paramètres s'avèrent primordiaux sur les échanges thermiques et donc de favoriser la montée en température du pot catalytique. Par contre lors des fonctionnements à fortes charges, l'effet réducteur de vitesse de cette configuration s'atténue ce qui permet alors d'obtenir un bon refroidissement thermique des gaz nécessaire à la tenue du pot catalytique s'étendant en aval du collecteur d'échappement 8. Ce refroidissement à fortes charges peut être encore renforcé en ayant recours par exemple à des matériaux à forts coefficients thermiques pour la réalisation des parois du boîtier 9 du collecteur d'échappement encore en munissant ce dernier d'ailettes de refroidissement, cette dernière disposition étant sans incidence sur les pertes thermiques des gaz brûlés lors des fonctionnements à faibles charges. L'intégration partielle de la capacité dans la culasse 1, rend le collecteur d'échappement 8 extrêmement compact ce qui participe également à la réduction du trajet des gaz entre les chambres de combustion 3 et le pot catalytique, ce dernier pouvant ainsi être facilement implanté à moins de 800 mm des soupapes d'échappement. Ce rapprochement du pot catalytique est possible sans affecter sensiblement les performances du moteur grâce également au volume important de la capacité qui permet de tranquilliser l'écoulement des gaz brûlés et de filtrer les différentes pulsations de pression -générées par chacun des cylindres, d'où une absence quasi totale d'interaction des cylindres entre eux et donc la faculté de rapprocher le pot catalytique de la sortie 13 du collecteur d'échappement 8. Par ailleurs, la réalisation de la capacité en deux parties, une partie 7 intégrée à la culasse et une partie 14 intégrée au collecteur d'échappement 8, simplifie considérablement la fabrication et le montage des pièces et permet l'allégement du moteur par rapport aux solutions antérieures dans lesquelles la capacité -est entièrement agencée dans le collecteur. Les dimensions de cette capacité sont choisies, après calculs et mesures au banc d'essai, d'autant plus importantes que le nombre des cylindres raccordés est grand ou encore que la cylindrée est élevée. Par ailleurs, les dimensions de l'ouverture de sortie 13 sont choisies aussi importantes que possible compte tenu des contraintes d'implantation dans le compartiment moteur du véhicule. Pour accélérer encore la montée en température du pot catalytique disposé sur la ligne d'échappement en aval du collecteur 8 dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, le moteur peut être équipé d'un dispositif d'injection d'air à l'échappement. Un tel dispositif comprend notamment une pompe pilotée (non représentée) et un réseau de distribution d'air intégré directement à la culasse 1. Ce réseau de distribution d'air représenté conformément aux figures 1 et 3, comporte un canal d'amenée d'air 15 s'étendant le long de la face 10 et venant de fonderie avec la culasse 1, de façon à être fermé par la bride de fixation 11 du collecteur d'échappement 8, et des passages d'injection d'air 16. Ces passages d'injection d'air, un par cylindre, sont usinés directement à travers la culasse 1 pour déboucher dans chacun des conduits d'échappement 4 au voisinage de la chambre de combustion correspondante. Le canal de distribution d'air 15 s'étend axialement sur sensiblement toute la longueur de la cavité 14 au voisinage du bord inférieur de l'ouverture 17. Pour favoriser la réalisation des passages 16, les conduits d'échappement 4 qui s'étendent sensiblement horizontalement à travers la culasse 1 de façon à réduire l'encombrement en hauteur de cette dernière, sont inclinés en direction du plan transversal médian de la culasse 1. Le décalage entre les conduits d'échappement 4 et l'axe des cylindres correspondants permet d'usiner simplement les passages d'injection d'air 16 par des perçages opérés perpendiculairement à la face 10 de la culasse 1. Chacun des passages 16 débouchent alors d'une part dans le fond du canal d'amenée d'air 15 et d'autre part dans celle des deux branches du conduit d'échappement 4 correspondant qui communique avec l'orifice 6 le plus éloigné du plan transversal médian de la culasse 1. L'inclination des conduits d'échappement vers le plan transversal médian offre l'avantage supplémentaire de réduire la longueur de la cavité 7 en réduisant l'entraxe des conduits d'échappement extrêmes (cylindres 1 et 4) et donc de réduire l'encombrement du collecteur d'échappement 8. La présence de la cavité collectrice 7 intégrée à la culasse 1 permet également de réaliser simplement un piquage de recirculation des gaz de combustion vers l'admission du moteur. Ce piquage se présente sous la forme d'un conduit 18 venant de fonderie et s'étendant entre l'une -des extrémités axiales de la cavité 7 et la face transversale adjacente de la culasse 1. La vanne EGR non figurée apte à contrôler le débit des gaz brûlés recirculés suivant les conditions de fonctionnement du moteur, peut alors être montée par des moyens de fixation appropriés directement sur la culasse 1 à la sortie du conduit 18. Cette vanne EGR est ensuite reliée au collecteur d'admission par une conduite de recirculation non figurée. Cette disposition suivant l'invention, permet un agencement particulièrement compact et simple des moyens de recirculation des gaz brûlés, supprimant notamment les opérations de perçage du collecteur d'échappement et de mise en place de la canalisation de liaison s'étendant selon l'art antérieur entre la vanne EGR et le collecteur d ' échappement. Par ailleurs, le montage de la vanne EGR directement sur la culasse 1 permet de limiter le porte-à-faux du collecteur d'admission ou du collecteur d'échappement et donc de réduire les vibrations du moteur. Par ailleurs, un tel montage s'avère également préférable pour des raisons d'encombrement ainsi que de facilité de fixation. Le montage de la vanne EGR sur la culasse 1 directement à la sortie du conduit 18 permet également de limiter l'encrassement de celle-ci, ce qui permet d'assurer une bonne constance dans le temps du réglage de la quantité de gaz recirculés. En effet, du fait du positionnement de la vanne-EGR directement au contact de la culasse 1, celle-ci est maintenue pendant toute la durée du fonctionnement du moteur à une température suffisante pour éviter ou pour le moins fortement limiter la condensation des particules de suie naturellement mêlées aux gaz brûlés recirculés. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS [1] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne multicylindre comprenant des conduits d'échappement (4) ménagés dans la culasse (1) du moteur, un collecteur d'échappement (8) et une ligne d'échappement munie d'un pot catalytique, chacun desdits conduits d'échappement (4) mettant en communication une chambre de combustion (3) à travers au moins un orifice formant le siège d'une soupape d'échappement à tige avec la face latérale d'échappement (10) de la culasse (1) sur laquelle vient se fixer le collecteur d'échappement (8), caractérisé en ce que lesdits conduits d'échappement (4) débouchent dans une capacité de volume adapté, ladite capacité étant divisée en deux parties (7,14) portées respectivement par la culasse (1) et le collecteur d'échappement (8). [2] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite capacité est définie par la réunion d'une première cavité (7) ménagée dans le corps de la culasse (1) et a'une seconde cavité (14) correspondante ménagée dans le collecteur d'échappement (8). [3] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première cavité (7) s'étend parallèlement à l'axe longitudinal de la culasse (1) et débouche sur la face latérale d'échappement (10) de la culasse (1) par une ouverture oblongue (17). [4] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits conduits d'échappement (4) s'étendant entre les chambres de combustion (3) et ladite première cavité (7) sont de longueur réduite, inférieure à 50 mm. [5] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que ledit collecteur d'échappement est formé par un boîtier (9) à l'intérieur duquel s'étend ladite seconde cavité (14) entre une ouverture d'entrée oblongue (12) correspondant à l'ouverture de sortie (17) de ladite première cavité (7) ménagée dans la culasse (1) et une ouverture de sortie (13) destinée à être raccordée à la ligne d'échappement. [6] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la culasse (1) présente des passages d'injection d'air (16) débouchant d'une part, dans un canal de distribution d'air (15) ménagé dans la face d'échappement (10) de la culasse (1) au voisinage de l'un des bords de l'ouverture de sortie (17) de ladite première cavité (7) et d'autre part, dans les conduits d'échappement (4) au voisinage des chambres de combustion (3). [7] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les conduits d'échappement (4) sont incurvés en direction du plan transversal médian de la culasse (1) [8] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la culasse (1) présente un conduit (18) de recirculation des gaz de combustion s'étendant entre une extrémité de ladite première cavité (7) et une face de la culasse sur laquelle vient se fixer la vanne EGR. [9] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit conduit de recirculation (18) vient de fonderie avec la culasse (1). [10] Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la première cavité (7) vient de fonderie avec la culasse (1).