Brevet FR2851785A1 — publié le 20040903

Conduit d'échappement à haute conservation de l'énergie thermique La présente invention se rapporte à un conduit d'échappement de moteur à combustion interne comprenant deux pipes d'échappement et permettant de conserver l'énergie thermique contenue dans les gaz de combustion. On connaît des conduits d'échappement comprenant deux pipes 10 d'échappement coudées dont les premières extrémités prolongent respectivement, à partir de la face feu d'une culasse deux sièges d'échappement et dont les secondes extrémités se rejoignent symétriquement en formant une jonction afin de récupérer et de canaliser les gaz de combustion, notamment vers le pot catalytique et/ou le filtre à 15 particules. Que ce soit pour régénérer le filtre à particules ou pour amorcer au plus tôt le catalyseur dudit pot catalytique, il est nécessaire que les gaz de combustion du moteur conservent toute leur énergie thermique lorsqu'ils traversent les dispositifs correspondant. Ainsi, une solution qui s'impose à l'évidence est d'isoler les conduits d'échappement pour diminuer au maximum l'échange d'énergie des gaz chauds aux parois. C'est dans ce but que l'invention décrite dans le document US 6 390 051 a été réalisée. Elle propose d'isoler des conduits 25 d'échappement de fine épaisseur au moyen d'un anneau de sable. Ce système est relativement efficace mais il est d'une part relativement encombrant et d'autre part extrêmement coteux. A l'inverse, pour diminuer les pertes thermiques aux parois des conduits et notamment les pertes par conduction, l'invention décrite dans le document WO 01/33066 propose de maintenir le conduit d'échappement en tôle par quelques points de liaison, laissant ainsi une partie substantielle de la paroi externe libre. Les conduits d'échappement ainsi réalisé sont bon marché mais ils n'évitent pas les pertes thermiques par convexion. Un objet de la présente invention est alors de réaliser des conduits d'échappement qui permettent non seulement de conserver l'énergie thermique des gaz de combustion mais aussi qui sont susceptibles d'être fabriqués à faibles cots. A cet effet, la présente invention propose un conduit d'échappement 1o de moteur à combustion interne comprenant deux pipes d'échappement coudées dont les premières extrémités prolongent respectivement, à partir de la face feu d'une culasse deux sièges d'échappement, la paroi interne alésée desdites premières extrémités définissant deux calibrages de diamètre D, des secondes extrémités desdites deux pipes d'échappement 15 coudées se rejoignant symétriquement en formant une jonction; ladite jonction est située au voisinage d'un plan Ptg qui est tangent à deux cylindres définis par lesdits calibrages et qui coupe lesdites pipes d'échappement coudées. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la jonction des 20 deux pipes d'échappement qui est située au plus près des sièges d'échappement, dans le sens de l'écoulement des gaz, tout en respectant les possibilités de tenue thermomécanique de la culasse et du pontet de la face feu entre les pipes d'échappement. De la sorte, grâce aux qualités aérodynamiques des pipes d'échappement, le jet de gaz est plaqué plus tôt 25 dans le haut des pipes d'échappement, dans le sens de l'écoulement des gaz, de sorte que le flux surfacique est beaucoup plus faible à la jonction des deux pipes d'échappement. Ainsi, ces caractéristiques concourent à la diminution des pertes thermiques des gaz d'échappement aux parois des pipes d'échappement. Par ailleurs, en raccourcissant le chemin de passage qui s'étend du siège d'échappement jusqu'à la jonction entre les pipes d'échappement, on diminue la quantité de matière nécessaire à l'élaboration dudit conduit d'échappement et par conséquent son cot de production. Préférentiellement, les axes de symétrie desdits calibrages définissent un plan P3 incliné d'un angle 3 par rapport à un plan P2 passant par le centre des deux calibrages parallèlement à l'axe du cylindre dudit moteur, et un plan Pl, parallèle audit plan P2 et tangent à une arrête définie par ladite jonction, est espacé dudit plan P2 d'une distance X supérieure à Io Xmin = D/(2cosp). De la sorte, comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description, le conduit d'échappement pour lequel cette distance limite est respectée permet non seulement la réduction des pertes thermiques, mais aussi est adapté à l'usinage des calibrages. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement 1 5 avantageux, lesdites premières extrémités sont espacées l'une de l'autre d'une distance ep, lesdites secondes extrémités se rejoignant en formant ladite jonction qui est prolongée par un seul organe cylindrique d'axe A et de diamètre hydraulique D, jusqu'à une extrémité formant face d'échappement et définissant un plan P4 parallèle à P2 et espacé de lui d'une 20 distance Y et, ladite distance X est inférieure à Xmax =Y(ep/(2D+ ep-D")). De la sorte, le conduit d'échappement conforme à l'invention, transfère les gaz d'échappement du cylindre du moteur au collecteur d'échappement avec moins de pertes thermiques que les conduits de l'art antérieur. Avantageusement, ledit organe cylindrique est incliné par rapport audit plan Ptg de façon que ledit axe A forme un angle ac supérieur à 900 avec ledit plan Ptg. L'angle obtus que forme ainsi la première extrémité des pipes d'échappement et l'organe cylindrique permet un écoulement de gaz moins turbulent et donc avec moins d'échanges thermiques aux parois; en comparaison avec un conduit d'échappement à angle droit. De façon préférentielle, ledit angle f3 est inférieur à 100, et limite ainsi l'angle a entre l'axe A et ledit plan Ptg, D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: -la Figure 1 est une vue schématique de dessus d'un mode de l réalisation d'un conduit d'échappement conforme à l'invention; - la Figure 2 est une vue schématique verticale en élévation de côté du conduit représenté sur la Figure i selon Il; et, - la Figure 3 est une vue de détail de la Figure 2. La Figure i montre un conduit d'échappement 10, dit de motif 0, 15 raccordé à une culasse 12 dans la partie supérieure d'un moteur à combustion interne. Le motif 0 correspond à la disposition relative des soupapes et des cylindres du moteur. Le conduit d'échappement 10 présente deux portions 14, 16 constituant des pipes d'échappement, dont les premières extrémités 18, 20 20 sont raccordées à une face feu 22 de la culasse 12 d'un moteur en regard d'un cylindre, à une distance ep correspondant à la largeur du pontet. Des secondes extrémités 24, 26 desdites portions, se rejoignent en formant un organe cylindrique 28 d'axe A et une arête de jonction 30, jusqu'à une extrémité 29 formant face d'échappement et définissant un plan vertical P4. 25 De plus, la forme sensiblement parabolique de l'arête de jonction 30 est déterminée de façon à obtenir des pertes de charges minimales et l'organe cylindrique présente une section droite oblongue dont le diamètre hydraulique est D, D, est défini par le quotient de la surface de la section droite par le périmètre correspondant ledit quotient étant multiplié par quatre. Par ailleurs, l'axe A de l'organe cylindrique 28 est compris dans un plan de symétrie vertical perpendiculaire au plan de la Figure 1 et par 5 rapport auquel les pipes d'échappement 14, 16 sont l'image l'une de l'autre. Ainsi, les jets de gaz d'échappement collectés par les deux pipes d'échappement sont guidés sensiblement dans une même direction lorsqu'ils débouchent dans l'organe cylindrique, ce qui génère moins de turbulences des gaz d'échappement et donc moins d'échanges thermiques 10 aux parois. Une caractéristique essentielle de l'invention réside dans la position de la jonction 30 vis-à-vis de la culasse 12, cette position étant définie par un plan vertical Pl qui est perpendiculaire au plan de la Figure 1, dont on a représenté la trace et qui est tangent à l'arête de jonction 30. La position du is plan vertical Pl est relative à un plan vertical P2 dont il est espacé d'une distance X et que l'on détaillera en référence à la Figure 2, la distance X étant encadrée par deux valeurs, Xmn et Xmax. On retrouve sur cette Figure 2, la portion 16 du conduit d'échappement 10, formant pipe d'échappement qui est prolongée à sa 20 seconde extrémité 26 par l'organe cylindrique 28 et dont la première extrémité 20 est raccordée à la face feu 22 de la culasse 12 du moteur. En outre, la paroi interne des premières extrémités 18, 20 raccordées, est alésée et définit deux calibrages 32 de diamètre D. Ces alésages sont réalisés depuis la face interne de la culasse sans inconvénient, dès lors que 25 X est supérieur à Xnin. Les calibrages 32 présentent un point central 34, par lequel passe le plan vertical P2 qui est également parallèle à l'axe du cylindre du moteur, lequel plan vertical P2 coupe également le point central du calibrage de 2851785 l'autre pipe d'échappement 14 et qui est parallèle au plan vertical Pl que l'on retrouve également sur cette Figure 2. Ainsi, les pipes d'échappement 14, 16, sont raccordées ensemble de façon que leur jonction soit située au plus près de la face feu 22 de la 5 culasse 12 et de préférence, de façon que Pl coupe l'axe A au voisinage du point P qui correspond à l'intersection plan Ptg qui est tangent à deux cylindres 36 définis par lesdits calibrages et qui coupe lesdites pipes d'échappement coudées. Les axes de symétrie des deux cylindres 36 définissent un plan P3 passant par le point central 34 de chacun des deux io calibrages 32. En outre, l'axe de symétrie A de l'organe cylindrique 28 que l'on retrouve sur la Figure 2, forme avec le plan P3, un angle oc compris entre 90 et 1400, par exemple 110 . Les gaz de combustion du cylindre qui s'échappent à travers un siège 5 d'échappement au niveau de la face feu 22 de la culasse 12, s'évacuent très rapidement dans l'organe cylindrique 28 ce qui diminue d'autant plus les temps de transfert thermique entre le gaz chaud de combustion et les pipes d'échappement 14, 16. Par ailleurs, la culasse 12 présente des passages de noyau d'eau, non 20 représentés, au voisinage des sièges d'échappement et elle se dilate thermiquement. En conséquence, la jonction entre les deux pipes d'échappement 14, 16 ne peut être indéfiniment rapprochée des sièges d'échappement pour respecter la tenue thermomécanique de la culasse. La distance limite inférieure Xmmn entre le plan Pl et le plan P2, qui est 25 illustrée plus en détail sur la Figure 3, correspond à D/(2cosp), l'angle D correspondant à l'angle entre P2 et P3 et étant lié à l'angle a par la relation j3=cc-90, en degré. Cette distance correspond à la projection du point central 34 sur le plan Pg parallèlement à l'axe A. 2851 785 La distance limite supérieure Xmax entre le plan Pl et le plan P2 est définie par rapport la longueur de l'organe cylindrique 28, le plan P4 étant espacé du plan P2 d'une distance Y et Xm"a valant Y(ep/(2D+ep-D")). Dans le cas o ep=D/3, et o par exemple D=D,, Xma, serait alors égal à Y/4. Entre ces distances limites Xm.n et Xma, On prendra par exemple, la distance du point central 34 à J égale à i0 4/5 D, Xpréf étant alors égale à D/(2cosp)+4/5 D tg P3. Ainsi, grâce à ces caractéristiques, le jet de gaz est plaqué plus tôt dans le haut des pipes, dans le sens F d'écoulement des gaz d'échappement, de sorte que le flux surfacique est beaucoup plus faible dans la partie aval du conduit, au-delà de l'arête de jonction 30 dans le sens F. Dans cette 15 section, de l'organe cylindrique 28, le gradient de température entre les gaz d'échappement et la paroi est moindre et les vitesses de ces gaz sont réduites du fait que la section est plus grande que la somme des sections de deux organes cylindriques séparés. En conséquence, le flux global aux parois des pipes d'échappement 20 diminue plus rapidement et la perte thermique des gaz d'échappement en est réduite, ce qui permet d'atteindre plus rapidement la température d'amorçage du catalyseur ou de régénération du filtre à particules. REVENDICATIONS 1. Conduit d'échappement de moteur à combustion interne 5 comprenant deux pipes d 'échappement coudées dont les premières extrémités prolongent respectivement, à partir de la face feu d'une culasse deux sièges d'échappement, la paroi interne alésée desdites premières extrémités définissant deux calibrages (32) de diamètre D, des secondes extrémités desdites deux pipes d'échappement coudées se rejoignant 10 symétriquement en formant une jonction; caractérisé en ce que ladite jonction est située au voisinage d'un plan Ptg qui est tangent à deux cylindres (36) définis par lesdits calibrages (32) et qui coupe lesdites pipes d'échappement coudées. 2. Conduit d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en 15 ce que, les axes de symétrie desdits calibrages (32) définissent un plan P3 incliné d'un angle f3 par rapport à un plan P2 passant par le centre (34) des deux calibrages (32) parallèlement à l'axe du cylindre dudit moteur, et en ce que, un plan Pl, parallèle audit plan P2 et tangent à une arrête 30 définie par ladite jonction, est espacé dudit plan P2 d'une distance X supérieure à 20 Xmin = D/(2cosp). 3. Conduit d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites premières extrémités (18, 20) sont espacées l'une de l'autre d'une distance ep, lesdites secondes extrémités (18, 20) se rejoignant en formant ladite jonction qui est prolongée par un seul organe cylindrique 25 (28) d'axe A et de diamètre hydraulique D, jusqu'à une extrémité formant face d'échappement et définissant un plan P4 parallèle à P2 et espacé de lui d'une distance Y et en ce que ladite distance X est inférieure à Xmax Y(ep/(2D+ep-D,)). - - 2851785 4. Conduit d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit organe cylindrique (28) est incliné par rapport audit plan Ptg de façon que ledit axe A forme un angle ax supérieur à 90 avec ledit plan Ptg. 5. Conduit d'échappement selon la revendication 2 ou 2 et 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit angle D est inférieur à 10 .