Brevet FR2851789A1 — publié le 20040903

" Moteur à combustion interne de véhicule automobile. " La présente invention concerne un moteur à combustion interne de véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne comportant au moins deux cylindres d'axes parallèles, du type dans lequel chaque cylindre est délimité axialement vers le haut par une culasse qui comporte au moins un canal d'évacuation de gaz d'échappement hors de la chambre de 1o combustion de chacun des cylindres, en direction d'un collecteur d'échappement comportant une chambre collectrice des gaz reliée à un orifice commun d'évacuation des gaz d'échappement vers l'extérieur, chaque canal d'évacuation comportant d'une part un orifice d'entrée relié à la chambre de combustion et, d'autre part, 15 un orifice de sortie qui débouche dans une face de la culasse et qui est relié au collecteur d'échappement Les figures 1 et 2, annexées à la présente description, illustrent, à titre d'exemple, un circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne selon l'état de la technique. Le moteur 10, dont le circuit d'échappement 12 est représenté, est ici un moteur comportant trois cylindres (CI, C2, C3) en ligne, d'axes parallèles X-X, qui comportent chacun deux soupapes d'échappement 14. Les cylindres (CI, C2, C3) du moteur sont délimités 25 axialement vers le haut par la face inférieure d'une culasse 24 qui comporte usuellement, pour chaque cylindre, une chambre de combustion dans laquelle un mélange air ou air/carburant est introduit par un circuit d'admission (non représenté) et de laquelle sont évacués les gaz d'échappement issus de la combustion par 30 le circuit d'échappement 12. Pour l'évacuation des gaz vers un collecteur d'échappement 16, le circuit d'échappement 12 comporte des soupapes d'échappement 14 permettant chacune d'ouvrir ou de fermer un orifice d'entrée 18 d'un canal d'évacuation des gaz 20, cet orifice d'entrée 18 débouchant dans la face supérieure de la chambre de combustion 22 de chaque cylindre (CI, C2, C3). La culasse 24 comporte ainsi un canal d'évacuation 20 pour chacune des soupapes d'échappement 14 d'un cylindre et 5 les deux canaux 20 d'un cylindre se rejoignent dans la culasse 24 pour ne plus former qu'un canal d'évacuation commun 26. Ce canal d'évacuation commun 26 débouche ici dans une face latérale 28 de la culasse 24 par un orifice commun de sortie 30, sensiblement au droit de l'axe X-X du cylindre de telle sorte 10 que les axes Y-Y de l'orifice 30 et du cylindre soient sensiblement situés dans un même plan vertical. Pour chaque cylindre, les canaux d'évacuation 20 et le canal commun 26 s'étendent donc selon un plan de coupe horizontal (L, T), de manière rectiligne jusqu'à la face latérale 28 15 de la culasse 24, c'est à dire transversalement au droit des axes X-X de chacun des cylindres (Cl, C2, C3). Chaque orifice commun de sortie 30 est ensuite relié à un collecteur d'échappement 16 qui est fixé sur la culasse 24. Plus précisément, le collecteur d'échappement 16 20 comporte un conduit d'échappement 32 associé à chaque orifice de sortie 30 des gaz des canaux d'évacuation 20. Chaque conduit d'échappement 32 est relié d'une part à l'orifice de sortie 30 d'un canal d'évacuation 20 et, d'autre part, à l'entrée d'une chambre collectrice 34 du collecteur d'échappement 25 16, aussi appelée " plénum ". A la sortie des canaux d'évacuation 20 de la culasse 24, les gaz d'échappement sont ainsi canalisés par les conduits d'échappement 32 vers la chambre collectrice 34 dans laquelle ils sont regroupés, puis ils s'écoulent jusqu'à un orifice commun 30 d'évacuation 36 du collecteur 16 en direction de l'extérieur, usuellement par la ligne d'échappement. Un tel collecteur d'échappement 16 comporte toujours des conduits d'échappements 32 qui requièrent souvent des géométries complexes à mettre en oeuvre. En effet, l'inclinaison ou le parallélisme entre eux est notamment fonction de l'ordre de combustion des cylindres respectifs de ces conduits d'échappement 32. De plus, les conduits d'échappement 32 constituent une 5 zone d'échange thermique importante avec l'air extérieur et provoquent de fortes pertes thermiques ou de charges ce qui est préjudiciable lorsque les moteurs comportent des dispositifs tels qu'un catalyseur et/ou une turbine d'un turbocompresseur. Selon une structure générale connue, un turbocompresseur 10 comporte une turbine et un compresseur qui sont portés par un arbre de turbocompresseur. La turbine est logée dans un carter de turbine qui comporte un orifice d'alimentation de la turbine. Le turbocompresseur est entraîné en rotation par les gaz d'échappement qui résultent de la combustion du carburant dans 15 les chambre de combustion du moteur et qui sont ici conduits jusqu'à l'orifice d'alimentation du carter de turbine par le circuit d'échappement, c'est à dire que les gaz d'échappement sont expulsés des chambres de combustion par l'intermédiaire des canaux traversant la culasse du moteur, puis guidés par les 20 conduits d'échappement jusqu'à la turbine par exemple reliée au collecteur d'échappement. De même, il est rappelé que les normes concernant la pollution des moteurs à combustion interne sont et seront dans l'avenir, de plus en plus sévères. Ainsi pour lutter contre les 25 émissions de gaz polluants produits par les moteurs à combustion interne, des dispositifs de dépollution tels que des échappements traitant par conversion catalytique les composants nocifs des gaz brlés se sont généralisés. Ces dispositifs, encore appelés pots catalytiques, 30 permettent d'oxyder des hydrocarbures imbrlés HC et du monoxyde de carbone CO, ainsi qu'une réduction des oxydes d'azote NOx. Toutes ces réactions sont fortement accélérées par la présence de catalyseurs de sorte qu'elles peuvent s'accomplir pendant le bref temps de passage des gaz d'échappement à travers le pot. Toutefois la conversion catalytique des polluants ne s'amorce que lorsque les catalyseurs ont atteint une certaine température. Il en résulte que, lors des démarrages des moteurs 5 notamment, la température des gaz d'échappement n'est pas immédiatement suffisante pour amorcer les réactions chimiques. Les phases de démarrage constituent donc des phases plus ou moins longues pendant lesquelles les polluants émis par le moteur ne sont pas ou insuffisamment traités. io L'invention vise à vaincre ces préjugés techniques et propose une solution simple, efficace et économique. Dans ce but, l'invention propose un moteur à combustion interne du type décrit précédemment, caractérisé en ce que chaque orifice de sortie de la culasse débouche directement dans i5 la chambre collectrice, et en ce que les canaux d'évacuation convergent de manière que les orifices de sortie soient adjacents les uns aux autres. L'invention trouve à s'appliquer à tous types de moteur à combustion interne, mais elle est particulièrement avantageuse 20 dans le cas de moteur à injection directe, Diesel ou Essence, ou à allumage commandé, ainsi que de moteur du type suralimenté. En effet, l'invention permet, en diminuant les dimensions et les surfaces d'échange, de réduire avantageusement les pertes thermiques ou de charges entre les cylindres et l'orifice 25 d'évacuation du collecteur d'échappement. Grâce à l'invention, on peut ainsi accroître, notamment à bas régimes, l'énergie disponible à la turbine d'un turbocompresseur de moteur du type suralimenté et obtenir ainsi un compromis satisfaisant sur l'ensemble de la plage de 30 fonctionnement, c'est à dire entre le couple à bas régimes et la puissance maximale. Avantageusement, l'énergie disponible à la sortie des cylindres est utilisée de manière optimale dans la turbine. On a ainsi pu constater des gains de température de l'ordre de 700C au niveau de l'orifice d'évacuation des gaz du collecteur d'échappement et de ce fait une amélioration des performances et de la consommation du moteur suralimenté. Avantageusement, les orifices de sortie étant adjacents, les dimensions du collecteur d'échappement peuvent être réduites, ce qui permet en plus de bénéficier des forts niveaux de pulsations produites par l'ouverture des soupapes d'échappement des cylindres afin d'améliorer les performances du moteur i0 suralimenté par turbocompresseur à bas régimes, notamment lors des phases transitoires. De préférence, un tel collecteur d'échappement " compact " est intégré au carter de la turbine du turbocompresseur, ce qui permet de réduire les cots, et en 15 facilite l'implantation et le montage sur le moteur. Grâce à l'invention, on améliore l'efficacité de dispositif de dépollution, tel qu'un pot catalytique, en réduisant les polluants émis pendant le fonctionnement du moteur, et cela en diminuant notamment la durée de montée en température durant la phase 20 d'amorçage du catalyseur. Avantageusement, on améliore la compacité de l'ensemble collecteurcatalyseur ce qui facilite son implantation sur le véhicule. De préférence, le collecteur d'échappement comporte des 25 moyens de refroidissement, tels qu'un système de refroidissement par circulation d'eau, qui est de préférence piloté de manière à contrôler les niveaux de température des gaz d'échappement pour optimiser le fonctionnement d'organes tels qu'un catalyseur ou une turbine. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - l'entraxe de deux orifices de sortie adjacents est inférieur à l'entraxe des deux cylindres associés auxdits deux orifices de sortie; - les canaux d'évacuation des soupapes d'échappement sont reliés à un orifice commun de sortie; - l'axe Y-Y de l'orifice de sortie du cylindre central est sensiblement orthogonal à l'axe X-X de ce cylindre et en 5 ce que les axes Y-Y des autres orifices de sortie des cylindres avant et arrière sont décalés longitudinalement par rapport aux axes X-X de leur cylindre respectif de manière à être adjacents à l'orifice de sortie du cylindre central; - l'orifice commun d'évacuation du collecteur d'échappement est relié à une turbine, en particulier dans le cas d'un moteur Diesel ou à allumage commandé, du type suralimenté; - l'orifice commun d'évacuation du collecteur 15 d'échappement est relié à un dispositif de dépollution tel qu'un catalyseur, en particulier dans le cas d'un moteur à injection directe ou à allumage commandé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la 20 compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale de la partie supérieure d'un moteur et du circuit d'échappement des gaz selon l'état de la technique d'un tel moteur à combustion 25 interne; - la figure 2 est une vue schématique en coupe suivant le plan de coupe 11-Il visible à la figure 1, illustrant l'ensemble du circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne du type comportant trois cylindres et deux soupapes 30 d'échappement par cylindre; - la figure 3 est une vue schématique analogue à la figure 2 illustrant, pour comparaison, le circuit d'échappement selon l'invention; - la figure 4 est une vue schématique en perspective éclatée d'un moteur selon la figure 3, qui comporte un circuit d'échappement selon l'invention. Dans la description et les revendications, pour en faciliter 5 la compréhension, on utilisera à titre non limitatif les orientations longitudinale, verticale et transversale selon le trièdre (L, V, T) représenté aux figures et les expressions telles qu'avant et arrière, supérieur et inférieur, horizontal et latéral, ainsi que les directions en référence aux figures et définitions données dans 10 la description. Les éléments identiques, similaires ou analogues de l'état de la technique et de l'invention seront désignés par les mêmes chiffres de référence. On se reportera, pour plus de détails, à la description des 15 figures 1 et 2 faite en préambule de la description. La figure 3 représente donc schématiquement un circuit d'échappement 12 d'un moteur 10, analogue à celui de la figure 2, et dont la description qui suit est faite par comparaison avec cette dernière. Ainsi, le moteur 10 est ici du type comportant deux soupapes d'échappement 14 pour chacun des trois cylindres (Cl, C2, C3) d'axes parallèles X-X qui sont délimités axialement vers le haut par la culasse 24, la culasse 24 comportant pour chaque soupape 14 un canal d'évacuation de gaz d'échappement 20 hors 25 de la chambre de combustion de chacun des cylindres, en direction du collecteur d'échappement 16 qui comporte une chambre collectrice 34 des gaz reliée à un orifice commun 36 d'évacuation des gaz d'échappement vers l'extérieur, chaque canal d'évacuation 20 comportant d'une part un orifice d'entrée 18 30 relié à la chambre de combustion et, d'autre part, un orifice de sortie 30 qui débouche dans la face 28 de la culasse et qui est relié au collecteur d'échappement 16, et dont, conformément à l'invention, chaque orifice de sortie 30 de la culasse 24 débouche directement dans la chambre collectrice 34 du collecteur d'échappement 16, d'une part, et les canaux d'évacuation 20 convergent de manière que leurs orifices de sortie 30 soient sensiblement adjacents les uns aux autres, d'autre part. Les canaux d'évacuation 20 selon l'invention, plus 5 précisément ici ceux des cylindres (Cl, C3), présentent au moins une portion coudée 38 selon les directions transversale et longitudinale, qui est amorcée de préférence avant la réunion du canal 20 de chacune des soupapes 14 du cylindre et se poursuit dans le canal d'évacuation commun 26 de manière à obtenir selon 10 l'invention, des orifices de sortie 30 sensiblement adjacents les uns aux autres. De plus, les gaz d'échappement sont évacués directement en direction d'un collecteur d'échappement 16 comportant la chambre collectrice 34 des gaz, sans parcourir de conduits 15 d'échappement comme dans l'état de la technique ce qui permet de réduire les pertes thermiques et/ou de charges. L'orifice commun d'évacuation 36 du collecteur d'échappement 16 est avantageusement relié à un dispositif de dépollution tel qu'un catalyseur 40 et/ou une turbine 42 de 20 turbocompresseur, plus précisément à son orifice d'alimentation. En effet, il est fréquent que les moteurs soient suralimentés par un turbocompresseur de façon à améliorer leurs performances, notamment d'augmenter leur rendement et leur puissance. Avantageusement, le moteur est du type suralimenté par un turbocompresseur et comporte aussi en aval de la turbine 42 un dispositif de dépollution tel qu'un catalyseur 40. La mise en communication de l'orifice commun d'évacuation 36 du collecteur d'échappement 16 avec la turbine 30 42 ou le catalyseur 40 peut être réalisée par une pièce de liaison telle qu'une bride (non représentée). Comme mieux visible sur la figure 4, l'entraxe, soit la distance entre les axes Y-Y, de deux orifices de sortie 30 adjacents est inférieur à l'entraxe, soit la distance entre les axes X-X, des deux cylindres associés auxdits deux orifices de sortie 30. Avantageusement, pour un moteur à trois cylindres (Cl, C2, C3), l'axe Y-Y de l'orifice de sortie central 30 est 5 sensiblement orthogonal à l'axe XX du cylindre central (C2) et les axes Y-Y des deux autres orifices de sortie 30 des cylindres avant et arrière (Cl, C3) sont décalés longitudinalement par rapport aux axes X-X de leur cylindre respectif de manière à être adjacents à l'orifice de sortie 30 du cylindre central (C2) . w0 Les orifices de sortie 30 de canaux d'évacuation 20 étant adjacents les uns aux autres, c'est à dire ici juxtaposés et alignés selon la direction longitudinale, le collecteur d'échappement 16 dont la chambre collectrice 34 est reliée directement aux orifices 30 peut avantageusement être plus compact notamment selon la is direction longitudinale et moins encombrant. En variante, les orifices de sorties 30 sont adjacents de manière à ce que leurs axes Y-Y respectifs constituent une forme de type triangulaire. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne (10) comportant au moins deux cylindres d'axes parallèles, du type dans lequel chaque 5 cylindre est délimité axialement vers le haut par une culasse (24) qui comporte au moins un canal d'évacuation de gaz d'échappement (20) hors de la chambre de combustion de chacun des cylindres, en direction d'un collecteur d'échappement (16) comportant une chambre collectrice (34) des gaz reliée à un io orifice commun (36) d'évacuation des gaz d'échappement vers l'extérieur, chaque canal d'évacuation (20) comportant d'une part un orifice d'entrée (18) relié à la chambre de combustion et, d'autre part, un orifice de sortie (30) qui débouche dans une face (28) de la culasse et qui est relié au collecteur d'échappement i5 (16), caractérisé en ce que chaque orifice de sortie (30) de la culasse (24) débouche directement dans la chambre collectrice (34), et en ce que les canaux d'évacuation (20) convergent de manière que leurs orifices de sortie (30) soient sensiblement adjacents les uns aux autres. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entraxe de deux orifices de sortie (30) adjacents est inférieur à l'entraxe des deux cylindres associés auxdits deux orifices de sortie (30). 3. Moteur du type comportant au moins une soupape 25 d'échappement par cylindre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux d'évacuation (20) des soupapes d'échappement (14) sont reliés à un orifice commun de sortie (30). 4. Moteur du type comportant trois cylindres parallèles 30 alignés longitudinalement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe Y-Y de l'orifice de sortie (30) du cylindre central (C2) est sensiblement orthogonal à l'axe X-X de ce cylindre (C2) et en ce que les axes Y-Y des autres orifices de sortie 30 des cylindres avant et arrière (Cl, C3) sont décalés longitudinalement par rapport aux axes X-X de leur cylindre respectif de manière à être adjacents à l'orifice de sortie (30) du cylindre central (C2). 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, en particulier moteur Diesel ou à allumage commandé, du type suralimenté, caractérisé en ce que l'orifice commun d'évacuation (36) du collecteur d'échappement (16) est relié à une turbine. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, en particulier moteur à injection directe ou à allumage commandé, caractérisé en ce que l'orifice commun d'évacuation (36) du collecteur d'échappement (16) est relié à un dispositif de dépollution tel qu'un catalyseur.