Brevet FR3084109A1 — publié le 20200124

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF D'ISOLATION THERMIQUE à L'ECHAPPEMENT de MOTEUR THERMIQUE Domaine technique [0001] La présente invention concerne un moteur thermique ou à combustion interne de véhicule automobile. [0002] La présente invention concerne plus particulièrement un circuit d'échappement de moteur thermique. [0003] La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de collecteur d'échappement optimisé pour moteur thermique. Technique antérieure [0004] De manière connue, un groupe motopropulseur de véhicule automobile peut comprendre un moteur thermique et un dispositif de dépollution des gaz d'échappement générés par le fonctionnement dudit moteur. Le dispositif de dépollution est dans une liste comprenant par exemple un pot catalytique, un filtre à particules, un piège à oxyde d'azote. En effet, les émissions polluantes des moteurs à combustion équipant les véhicules automobiles sont réglementées par des normes de plus en plus sévères. Les polluants dont les seuils d'émission sont réglementés sont, selon la technologie de moteur à combustion considérée, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (1-1C), les oxydes d'azotes (NOx), et les particules. Il est connu d'employer un certain nombre de moyens de dépollution dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion pour en limiter les émissions des polluants réglementés. Par exemple, un catalyseur d'oxydation permet le traitement du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, et dans certaines conditions des oxydes d'azotes ; un filtre à particules peut être employé pour le traitement des particules de suie. On connait également des moyens spécifiques au traitement des oxydes d'azote ou NOx, tels que les pièges à NOx ou les catalyseurs dits SCR pour « Selective Catalytic Reduction ». Cette dernière technologie consiste à réduire les NOx par introduction d'un agent réducteur dans les gaz d'échappement. L'agent réducteur généré permet de réduire les oxydes d'azotes par réaction dans un catalyseur SCR, c'est-à-dire un substrat portant. une imprégnation catalytique apte à favoriser la réduction des NO x par l'agent réducteur. [0005] Le moteur à combustion interne multicylindre du véhicule automobile comporte ainsi une culasse dudit moteur dans laquelle sont agencés des conduits d'échappement chacun desdits conduits présente une première extrémité reliée à une chambre de combustion et une seconde extrémité débouchant dans une cavité ou plenum d'un I collecteur d'échappement fixé à la culasse, ledit collecteur présente un conduit de sortie relié extérieurement à un dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'une ligne d'échappement du véhicule. [0006] Conventionnellement, les dispositifs d'échappement comportent des conduits d'échappement formés dans la culasse du moteur qui coïncident avec des conduits du collecteur agencés en regard desdits conduits d'échappement. Le collecteur comporte au moins un conduit de sortie qui est relié à une ligne d'échappement du véhicule automobile. [0007] Dans le but de diminuer la teneur en produits polluants contenus dans les gaz de combustion, il est connu d'implanter dans la ligne d'échappement en aval du collecteur d'échappement selon le sens de circulation des gaz des dispositifs de dépollution, notamment des catalyseurs, qui permettent de convertir les produits polluants présents dans les gaz de combustion, notamment les hydrocarbures imbrûlés HC et les oxydes d'azote NOx. [0008] Or, l'efficacité des dispositifs de dépollution est fortement tributaire de la température desdits gaz. [0009] Un des points influents sur la température des gaz au niveau des dispositifs de dé- pollution est la distance entre la chambre de combustion et lesdits dispositifs. En effet, l'éloignement de ces dispositifs de dépollution des chambres de combustion du moteur retarde leur montée en température notamment pendant les premières minutes de fonctionnement du moteur, et réduit leur efficacité alors même que c'est pendant ces premières minutes de fonctionnement du moteur que la plus grande quantité de polluants est émise. [0010] Cet inconvénient est surmonté par la réalisation d'un collecteur d'échappement qui est partiellement ou totalement intégré à la culasse du moteur, pour réduire sensiblement la distance entre les chambres de combustion et les dispositifs de dépollution. [0011] Le document FR2738289 décrit notamment un collecteur d'échappement de ce type. Les conduits d'échappement de la culasse débouchent dans une cavité ou plenum, formée pour moitié dans la culasse et pour moitié dans le collecteur. [0012] Cependant, le collecteur accolé à la culasse est soumis à des contraintes de tem- pératures élevées et se trouve donc, comme le matériau de la culasse, sujet à une importante dilatation au fur et à mesure de sa montée en température. De ce fait, il est pratiquement impossible d'accoupler un tel collecteur au reste de la ligne d'échappement s'il n'est pas pourvu de cavités de refroidissement reliées à un circuit de circulation de liquide de refroidissement de la culasse. [0013] Toutefois, le refroidissement du collecteur pénalise fortement le rendement du moteur. Le refroidissement du collecteur entraine l'abaissement du rendement 3 thermique du moteur. De plus, ledit refroidissement réduit aussi considérablement les bénéfices du rapprochement du collecteur et des chambres de combustion. En effet, le refroidissement du collecteur ne permet alors plus la montée rapide en température des gaz propre à améliorer l'efficacité du dispositif de dépollution. [0014] Pour remédier à cet inconvénient, le document FR2902827-A1 propose un dispositif comportant un collecteur fixé à la culasse du moteur et muni de moyens de découplage thermique par rapport à ladite culasse. Selon ce document, le collecteur comporte une partie intégrée dans la culasse, ladite partie est en contact avec la culasse en différents points de fixation. L'isolation est formée par une lame d'air. La fixation du collecteur à la culasse est formée par des liaisons mécaniques entre le collecteur et les autres pièces. Ces liaisons mécaniques sous l'effet de la chaleur des gaz brulés se dilatent entraînant des cyclages thermiques et des contraintes mécaniques. [0015] Lc but de l'invention est de remédier à ces problèmes et un des objets de l'invention est un dispositif de circulation des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile comprenant un collecteur d'échappement fixé à une culasse du moteur, ledit collecteur étant partiellement intégré à la culasse, la cavité dans laquelle débouchent les conduits d'échappement de la culasse ou plenum étant délimitée par une paroi creusée dans la culasse et par une paroi du collecteur. Ledit collecteur comporte aussi un conduit de sortie connecté au dispositif de dépollution. Les parois délimitant le plenum sont des parois calorifuges pour préserver la température des gaz au passage. Exposé de l'invention [0016] La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de circulation des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile comprenant un collecteur d'échappement comportant au-moins un conduit dc sortie et fixé à une culasse du moteur dans laquelle sont creusées des conduits d'échappement, chacun des conduits reliant à une extrémité une chambre à combustion et débouchant à l'autre extrémité dans une chambre de gaz d'échappement, ladite chambre étant recouverte par une paroi du collecteur, caractérisé en cc que les parois dc la chambre sont calorifugées [0017] De manière avantageuse, les parois de la chambre de gaz d'échappement formant un plénum, dans laquelle débouche chaque conduit d'échappement creusé dans la culasse, sont calorifugées pour éviter toute déperdition de chaleur des gaz et permettre d'obtenir des gaz d'échappement à leur plus haute température possible selon les régimes de fonctionnement du moteur à leur entrée dans un dispositif de dépollution. [0018] Ainsi, le dispositif de dépollution pourra avoir une efficacité optimale. [0019] De plus les parois du collecteur seront moins affectées par la température des gaz et 4 donc les dilatations dudit collecteur sont contenues. [0020] Selon d'autres caractéristiques de l'invention : [0021] - l'extrémité aval de chacun des conduits d'échappement, dirigée vers la chambre d'échappement, est calorifugée. [0022] De manière avantageuse, l'extrémité aval de chaque conduit d'échappement de la culasse est calorifugée afin d'éviter tout échauffement du débouché de chaque conduit d'échappement de la culasse qui peut entrainer un échauffement du collecteur. [0023] - l'extrémité amont du conduit de sortie du collecteur est calorifugée. [0024] De manière avantageuse, l'extrémité amont du conduit de sortie du collecteur, ladite extrémité étant tournée vers la chambre d'échappement, est calorifugée afin d'éviter un échauffement de la paroi du collecteur entourant la chambre d'échappement et de réduire la dilatation différentielle du collecteur par rapport à la culasse. [0025] -la paroi intérieure de la chambre d'échappement est recouverte par une enveloppe d'isolation thermique. [0026] De manière avantageuse, la chambre d'échappement ou plénum est délimitée par une enveloppe d'isolation thermique, laquelle enveloppe thermique recouvre la totalité de la chambre d'échappement. L'enveloppe thermique est donc contenue à l'intérieur d'une chambre formée par une paroi de la culasse et du collecteur d'échappement. Ainsi l'enveloppe thermique isole le collecteur d'échappement des gaz brulés et permet une réduction de la montée en température dudit collecteur et donc de sa dilatation. [0027] -l'enveloppe d'isolation comprend une demi-coquille amont accolée à une paroi d'une cavité d'échappement de la culasse de laquelle débouche chacun des conduits d'échappement. [0028] De manière avantageuse, l'enveloppe d'isolation comprend une demi-coquille amont selon le sens d'écoulement des gaz, accolée à une paroi de fixation de la culasse de laquelle débouchent les conduits d'échappement. Ladite demi-coquille présente des formes sensiblement complémentaires aux formes de la paroi d'échappement de la culasse, ladite paroi d'échappement est par exemple obtenue par un creusement depuis la paroi de fixation de la culasse pour former une cavité pour augmenter le volume de la chambre d'échappement ou de réduire de façon optimale l'encombrement du collecteur d'échappement et de pouvoir rapprocher un dispositif de dépollution des chambres à combustion du moteur. [0029] -la demi-coquille amont comporte un manchon par conduit d'échappement, chacun des manchons étant enfoncé dans l'extrémité aval du conduit d'échappement. [0030] De manière avantageuse, la demi-coquille amont comporte des manchons , au-moins un manchon par conduit d'échappement de la culasse qui est enfoncé dans l'extrémité aval dudit conduit d'échappement, ce qui permet d'une part un maintien de ladite demi-coquille par la culasse et d'autre part une isolation optimale des parois formant la chambre d'échappement ou plénum afin de réduire les températures de la paroi de fixation de la culasse et du collecteur fixé à la culasse par ladite paroi, afin de réduire les dilatations différentielles de la culasse et du collecteur. [0031] -l'enveloppe comporte une demi-coquille aval accolée à la paroi du collecteur d'échappement. [0032] De manière avantageuse, l'enveloppe d'isolation thermique comporte une demi- coquille aval accolée à la paroi du collecteur d'échappement, ladite demi-coquille étant destinée au contact avec les gaz d'échappement pour réduire d'une part l'échauffement de la paroi du collecteur et d'autre part les baisses de températures des gaz d'échappement. [0033] -la demi-coquille aval comporte au moins un manchon de sortie enfoncé dans le conduit de sortie du collecteur d'échappement. [0034] De manière avantageuse, la demi-coquille aval comporte au moins un manchon de sortie qui est enfoncé dans l'au-moins un conduit de sortie du collecteur menant à un dispositif de dépollution du moteur. Ledit manchon de sortie permet un maintien mécanique de la demi-coquille dans le collecteur d'échappement. [0035] -le conduit de sortie du collecteur comporte une butée pour recevoir une extrémité libre du au-moins un manchon de sortie. [0036] De manière avantageuse, r au-moins un conduit de sortie du collecteur comporte une butée apte à recevoir une extrémité libre du au-moins un manchon de sortie pour assurer un positionnement optimal de la demi-coquille dans la paroi du collecteur. [0037] -la demi-coquille amont et la demi-coquille aval sont issues de même matière etlou d'une même pièce formant l'enveloppe d'isolation. [0038] De manière avantageuse, la demi-coquille amont et la demi-coquille aval sont issues d'une même matière etlou d'une même pièce formant l'enveloppe d'isolation pour faciliter l'obtention des demi-coquilles et pour faciliter la mise en place de l'enveloppe d'isolation entre la culasse et le collecteur d'échappement. [0039] -l'enveloppe d'isolation est fixée solidaire du collecteur. [0040] De manière avantageuse, l'enveloppe est fixée solidaire du collecteur à l'aide par exemple d'une sangle qui entoure la demi-coquille amont pour la presser contre la demi-coquille aval afin de maintenir l'enveloppe d'isolation formée par les deux demi-coquilles contre la paroi du collecteur avec l'au-moins un manchon de sortie enfoncé dans l'au-moins un conduit de sortie du collecteur. L'enveloppe d'isolation est alors bien fixée au collecteur pour faciliter la mise en place de l'ensemble contre la paroi de fixation de la culasse. [0041] -l'enveloppe d'isolation comprend une couche d'isolant minéral recouverte d'une paroi mince métallique. 6 100421 De manière avantageuse, l'enveloppe d'isolation comprend une couche d'isolant minéral recouverte par une paroi mince pour garantir de garder la structure de l'enveloppe d'isolation. En effet la paroi mince est suffisamment rigide pour conserver la forme de l'enveloppe, la couche d'isolant minéral peut alors se déformer pour épouser la paroi de la chambre d'échappement, à savoir la paroi de la culasse et la paroi du collecteur. [0043] -la paroi métallique mince est destinée au contact avec les gaz d'échappement. [0044] De manière avantageuse, la paroi mince métallique est destinée au contact avec les gaz d'échappement, cc qui permet de conserver la forme de la chambre contenant les gaz d'échappement lors du fonctionnement du moteur et de préserver a couche d'isolation de toute dégradation. [0045] -la couche d'isolant est comprimée en appui sur la paroi intérieure de la chambre d'échappement. [0046] De manière avantageuse, la couche d'isolant minéral est comprimée en appui sur la paroi dc la chambre d'échappement, notamment contre les parois de la cavité d'échappement de la culasse, de l'extrémité aval de chaque conduit d'échappement dc la culasse, et de l'extrémité amont du conduit de sortie du collecteur, pour permettre une isolation optimale thermique des flux de gaz d'échappement à leur passage au travers du collecteur d'échappement. Brève description des dessins [0047] D'autres caractéristiques et avantages dc l'invention apparaîtront à la lecture dc la description qui suit de modes particuliers de réalisation dc l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : [0048] [fig.' J est une vue schématique de la face échappement d'un moteur thermique avec des dis- positifs de dépollution. [0049] [fig.2] est une vue schématique de la face échappement du moteur thermique avec le collecteur d'échappement. [0050] Kig.31 est une vue schématique de coupe longitudinale du dispositif de circulation des gaz d'échappement selon l'invention. [0051] [fig.41 est une vue schématique de coupe de dessus du dispositif de circulation des gaz d'échappement selon l'invention. [0052] [fig.51 est une vue schématique de l'enveloppe d'isolation du dispositif de circulation des 7 gaz d'échappement selon l'invention. Description détaillée des figures 100531 Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. 100541 Les termes amont/aval se réfèrent au sens de circulation des gaz d'échappement [0055] Dc manière connue, selon les figures 1 et 2, un moteur thermique (non représenté) comprend une culasse 10 disposée au-dessus d'un carter-cylindres (non représenté). Dans le carter-cylindres, sont creusés des cylindres selon un axe sensiblement vertical et orthogonal à un plan de jonction 11 de la culasse sur le carter-cylindres. Dans la culasse 10 sont creusés des conduits d'échappement 12 reliant des chambres à combustion, chacune desdites chambres est délimitée par l'un des cylindres, par le plan de jonction ou par un toit sensiblement conique creusé dans la culasse depuis le plan de jonction et en regard vers le cylindre, et par un piston (non représenté) mobile en coulissement selon l'axe dudit cylindre, selon un mouvement de va-et-vient. Chacun des conduits d'échappement est apte à diriger des gaz brulés ou d'échappement vers un collecteur d'échappement 14 fixé à la culasse contre une paroi de fixation 17 tournée du côté d'une face dite d'échappement 13 de la culasse 10. Chacun des conduits d'échappement débouche de la culasse par la paroi de fixation 15 dans une chambre d'échappement ou plénum, délimitée en aval selon le sens de circulation des gaz d'échappement par une paroi du collecteur 14 d'échappement. [0056] Les gaz brulés générés par la combustion dans la chambre de combustion sont donc dirigés via le conduit d'échappement pour traverser le collecteur d'échappement 14 et rejoindre un étage de turbine 15 et un dispositif de dépollution 16 tel que représenté dans la figure 1 définissant le sens de circulation des gaz d'échappement. La circulation des gaz est représentée par les flèches 34 en figures 3 et 4. [0057] L'invention concerne un dispositif 100 de circulation des gaz d'échappement depuis la chambre à combustion jusqu'à un dispositif de dépollution. Ledit dispositif 100 comprend les conduits d'échappement 12 creusés dans la culasse, le plénum et le collecteur d'échappement 14 avec le conduit de sortie connecté avec le dispositif de dépollution. [0058] Afin de réduire la distance de parcours de gaz d'échappement depuis la chambre à combustion jusqu'au dispositif de dépollution 16, de manière connue, la paroi de fixation 17 est creusée pour former une cavité 18 d'échappement de la culasse 10, ladite cavité 18 est recouverte par le collecteur 14, tel que représenté en figure 4. Le collecteur 14 recouvre ladite cavité d'échappement pour former une chambre d'échappement 40 des gaz ou plénum des gaz d'échappement. [0059] Selon les figures 3 et 4 représentant un mode de réalisation préféré de l'invention, les parois de la chambre d'échappement 40 sont calorifugées, en effet les parois in- 8 téricures 19 de ladite chambre est recouverte par une enveloppe d'isolation thermique 20. Lesdites parois de la chambre sont formées par la paroi 33 de la cavité d'échappement 18 et par la paroi 32 du collecteur 14. Ladite enveloppe isolante 20 est formée d'une première demi-coquille amont 21 qui est accolée à la paroi de la cavité d'échappement 18 de la culasse 10 et d'une seconde demi-coquille 22 aval qui est plaquée contre la paroi 32 du collecteur d'échappement 14 à l'intérieur dudit collecteur. [0060] Ladite enveloppe permet une isolation thermique par l'intérieur de la chambre d'échappement 40 afin de maintenir la température des gaz et d'éviter des pertes thermiques ce qui améliore l'efficacité du dispositif de dépollution en aval, et de préserver les parois de la chambre d'échappement 40, notamment la paroi 19 de la cavité d'échappement 18 et du collecteur 14, de montées en températures élevées susceptibles d'entrainer des dilatations différentielles et des contraintes dans les fixations du collecteur d'avec la culasse. [0061] Selon un mode de réalisation, la première et la seconde demi-coquilles 21,22 sont formées de mêmes matières, par une couche d'isolant minéral 23 de type MAT de fibre minérale sur laquelle est apposée une paroi métallique mince 24. Ladite paroi métallique mince 24 est tournée vers l'intérieur de la chambre et est destinée au contact avec les gaz d'échappement. La couche métallique permet d'assurer une forme optimale pour diriger les gaz d'échappement vers le conduit de sortie. La couche isolante peut être comprimée et l'épaisseur de la couche mince métallique n'impactent sensiblement pas sur le volume global de la chambre d'échappement ce qui permet de contenir l'encombrement du dispositif 100 de circulation des gaz. Selon un mode de réalisation préféré, la fibre minérale peut être à base de silicate de calcium pour supporter les niveaux de températures des gaz d'échappement. [0062] La première demi-coquille amont 21 comporte des manchons d'entrée 25 de di- mensions sensiblement complémentaires à celles des conduits d'échappement 12, lesdits manchons d'entrée 25 sont destinés à être enfoncés dans lesdits conduits d'échappement 12. La demi-coquille 21 amont comporte autant de manchons d'entrée 25 que la culasse comporte de conduits d'échappement 12 et plus précisément de débouchés 12f de conduits d'échappement 12 dans la cavité d'échappement 18. En effet, selon la figure 4, chaque cylindre est relié à la cavité d'échappement 18 par plusieurs, ici deux, conduits initiaux 12a, 12b qui sont ensuite regroupés en un unique conduit d'extrémité aval 12c qui débouche dans la cavité d'échappement 18. Pour faciliter la compréhension, la suite de la description fait référence à un unique conduit d'échappement 12 par cylindre. Selon les figures 3 et 4, le débouché du conduit d'échappement 12 dans la paroi de la cavité d'échappement 18 présente un évasement 18e pour accueillir le manchon d'entrée 25. 9 [0063] De manière avantageuse, l'emmanchement du manchon d'entrée 25 dans le conduit d'échappement 12 et notamment dans le débouché évasé 18e dudit conduit 12 permet un maintien mécanique de la demi-coquille amont 21 dans la cavité d'échappement 18 et donc dans la culasse 10. De plus, cette disposition permet une isolation thermique optimale de la chambre d'échappement 40 ou plénum pour d'une part éviter des dilatations notamment différentielles de la culasse 10 et du collecteur 14 et d'autre maintenir la température des gaz d'échappement au passage du collecteur. [0064] La seconde demi-coquille aval 22 comporte un manchon de sortie 27 de dimension sensiblement complémentaire au conduit de sortie 26 du collecteur 14. [0065] Le collecteur d'échappement 14 peut cependant comporter plusieurs conduits de sortie 26 et on peut alors avoir autant de manchons de sortie 27 que de conduits de sortie 26 du collecteur. [0066] Ledit manchon de sortie 27 est destiné à être enfoncé dans ledit conduit de sortie 26 du collecteur 14. L'emmanchement dudit manchon de sortie 27 dans le conduit de sortie 26 permet une isolation optimale de la paroi du collecteur 14 et éviter de fortes montées en température dudit collecteur 14. De même le conduit de sortie 26 du collecteur 14 présente un évasement 28 destiné à accueillir le manchon de sortie 27. Ledit évasement est de manière préférentielle terminé par une butée 29 pour recevoir une extrémité libre du manchon de sortie 27 afin d'assurer le positionnement de la seconde demi-coquille 22 dans la paroi du collecteur 14. Ladite butée 29 peut être par exemple un épaulement circulaire creusé dans la paroi 32 du collecteur 14. L'extrémité amont 26a du conduit de sortie 26 du collecteur est donc calorifugée. [0067] La première demi-coquille amont 21 comporte une rainure 30 extérieure qui se prolonge par une rainure de mêmes dimensions dans la seconde demi-coquille aval 22 pour permettre la fixation des deux demi-coquilles l'une à l'autre par exemple par une sangle pour former une même pièce. Selon un autre mode de réalisation, la rainure 30 permet l'enroulement d'une sangle pour permettre la fixation de la première demi-coquille 21 au collecteur 14. [0068] La mise en place des deux demi-coquilles peut comprendre les étapes suivantes : [0069] -mise en place de la seconde demi-coquille 22 en appui sur la paroi intérieure du collecteur en enfonçant le manchon de sortie 27 dans la conduit de sortie 26 du collecteur. [0070] -mise en place de la première demi-coquille amont 21 en appui bord à bord contre la seconde demi-coquille aval 22, [0071] -fixation de la première demi-coquille 21 au collecteur par attache par exemple d'une sangle logée dans la rainure 30. [0072] -fixation du collecteur 14 contre la paroi de fixation de la culasse 10 en enfonçant les manchons d'entrée 25 dans les conduits d'échappement 12 de la culasse. [0073] La couche isolante 23 de l'enveloppe est pressée contre la paroi de la cavité d'échappement de la culasse et contre la paroi du collecteur par la paroi mince métallique qui délimite ainsi le volume intérieur de la chambre des gaz d'échappement. [0074] L'objectif est atteint : [0075] Lc dispositif de circulation 100 propose une isolation thermique de la chambre d'échappement pour maintenir la température des gaz au passage du collecteur et de réduire des températures élevées du collecteur 14 pouvant entrainer des dilatations différentielles entre la culasse 10 et le collecteur 14 qui peuvent générer des contraintes de fixations. [0076] Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette prise, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. [0077] Par exemple, on peut avoir une couche de vernis en tant qu'isolant thermique. 11