BE493562A

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Publication number: BE493562A
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Description

COLLECTEUR D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE.

La présente invention concerne un collecteur de gaz d'échappe- ment pour moteur à combustion interne et plus spécialement un collecteur comprenant plusieurs passages pour gaz d'échappement entre un moteur mul- ticylindrique à combustion interne et sa ou ses turbines coopérantes ac- tionnées par les gaz d'échappement.

Suivant la présente invention, on a prévu un collecteur de gaz d'échappement comprenant plusieurs passages pour gaz d'échappement entre un moteur multicylindrique à combustion interne et sa ou ses turbines à gaz d'échappement, dans lequel les conduites'des gaz d'échappement se composent de plusieurs tuyaux distincts de gaz d'échappement, ces tuyaux étant au moins partiellement enroulés en hélice et contigus l'un à l'autre autour d'un noyau central auquel ils sont fixés de façon à former un ensemble compact.

Ces tuyaux comportent des dérivations dont les extrémités libres sont fixées aux brides de raccordement des lumières d'échappement des cylindres du mo- teur. L'emplacement relatif de toutes ces dérivations et le pas des spires formées par les tuyaux sont prévus de manière à assurer un alignement à peu près égal de toutes les dérivations aboutissant aux lumières d'échappement des cylindres du moteur. Tous les tuyaux de dérivation sont de forme et de longueur semblables. Une enveloppe ou coquille tubulaire, formée de préfé- rence par plusieurs pièces, est placée autour de l'assemblage ou système de tuyaux d'échappement, tout en étant indépendante de ceux-ci. L'espace in- térieur de la coquille est agencé de manière à éviter tout contact direct de la coquille avec les tuyaux d'échappement.

On a agencé dans la coquille des ouvertures pour les tuyaux de dérivation et ces ouvertures sont suffisam- ment grandes pour permettre le passage des tuyaux de dérivation avec un jeu appréciable dans toutes les conditions, même lorsque les gaz d'échappement

atteignent leurs températures les plus élevées. Grâce à cette disposition, l'enveloppe n'est pas chauffée par un transfert calorifique direct prove- nant des tuyaux d'échappement brûlants.

Suivant un mode de réalisation de l'invention, les tuyaux d'échappement ne sont pas refroidis artificiellement, mais on peut les garnir d'un revêtement calorifuge. Toutefois, on peut prévoir l'enveloppe avec ou sans refroidissement. La totalité de l'espace libre à l'intérieur de l'enveloppe peut être garni d'un matériau calorifuge, ou bien on peut limiter cette garniture à la paroi intérieure de 1-'enveloppe ou encore aux tuyaux d'échappement eux-mêmes. Par ailleurs on peut garnir les tuyaux et la surface interne de l'enveloppe en utilisant une ou plusieurs couches de matériau calorifuge ; onparvient ainsi à réduire ou même à éliminer complè- tement la radiation de chaleur éntre les tuyaux d'échappement brûlants et l'enveloppe.

Un soin tout particulier a été apporté à la construction destinée à combiner l'assemblage de la coquille et des tuyaux. En plus de l'espace- ment prévu entre la coquille et l'ensemble des tuyaux, mentionné plus haut, les montages qui servent à fixer la coquille au noyau central sont conçus de telle sorte que le transfert de chaleur à la coquille par l'intermédiaire de ces montages est maintenu à une valeur minime. En outre, le noyau et les tuyaux d'échappement sont montés sur la coquille dans des conditions de compensation réciproque telles que la libre dilatation de tous ces organes est assurée à tous moments.

La combinaison de l'enveloppe et de l'ensemble des tuyaùx d'échappement est telle que l'enveloppe peut être démontée de par dessus les tuyaux d'échappement brûlants sans avoir à démonter ceux-ci, quelques soient les conditions de marche à ce moment là, c'est-à-dire même sï le moteur fonctionne. Ainsi l'enveloppe peut être remise en place sans toucher au tuyau d'échappement et sans interrompre le fonctionnement du mo- teur. Lorsque la matière calorifuge est fixée à la paroi interne de la co- quille ou disposée dans l'espace libre qui sépare la coquille¯des tuyaux d'échappement on peut facilement la retirer des tuyaux d'échappement en cas de nécessité.

Le transfert de chaleur par conduction ou autrement, entre les tuyaux et l'enveloppe est supprimé attendu qu'il n'y a pas de contact direct entre les tuyaux d'échappement non refroidis et extrêmement chauds pendant le fonctionnement et l'enveloppe ou coquille environnante. Un con- tact indirect ne peut s'établir que par le noyau et les pièces de montage de l'enveloppe ; lerefroidissement artificiel peut assurer une température réduite dans toute l'enveloppe. Attendu qu'on n'utilise pas de refroidisse- ment direct pour les tuyaux d'échappement les pertes de chaleur des gaz d'échappement sont éliminées en grande partie.

Les tuyaux d'échappement présentent de préférence une section transversale circulaire; mais on peut également adopter une section de for- me différente. Pour obtenir une structure rigide le faisceau de tuyaux d'échappement est fixé en bloc au'moyen de collier autour du noyau centra;! séparé. Cette fixation par collier comprend cependant des éléments élasti- ques qui permettent une libre dilatation des tuyaux d'échappement indivi- duels qui sont chauffés par les gaz d'échappement dont la température est très élevée. Au lieu de collier on peut employer des boulons d'ancrage fi- xés au noyau ainsi que des:accessoires appropriés comprenant des éléments élastiques pour assembler les tuyaux d'échappement d'une manière homogène et solide.

Dans cette dernière éventualité on peut fixer la coquille au noyau central séparé en utilisant quelques unes des mêmes pièces qui servent à fixer élastiquement le faisceau de tuyaux d'échappement sur le noyau, par exemple -à l'aide de vis lesquelles, après avoir procédé au montage de l'en- veloppe ou coquille en plusieurs éléments, sont mises en place de façon à se glisser dans lesdites pièces.

Les joints de dilatation peuvent être insérés entre les éléments des tuyaux d'échappement en des points appropriés de préférence entre deux

raccords de tuyaux d'échappement à la lumière d'échappement correspondante du moteur, ainsi qu'au point où ces tuyaux débouchent dans la turbine à gaz.

La division des tuyaux adoptée pour l'insertion des joints de dilatation peut servir également pour l'assemblage des tuyaux d'échappement individuel avec le noyau central séparé,et permet en outre de fabriquer, indépendam- ment,des éléments de tuyaux d'échappement relativement courts et en forme d'hélice ayant un pas déterminé.

Les tuyaux d'échappement pour collecteur, décrits ci-dessus, se caractérisent par le minimum de perte d'énergie cinétique dans les gaz d'échappement par suite de frottement et de transfert calorifique. Si l'on considère que le courant de gaz d'échappement d'un moteur à combustion inter- ne peut atteindre la vitesse du son et des températures extrêmement élevées, on voit que ces pertes seraient très sensibles dans un agencement autre que' celui décrit.

Ce résultat est obtenu en utilisant partout pour les gaz d'échappement des conduites à section circulaire, de préférence calculée pour offrir le minimum de surface circonférentielle pour la section trans- .versale exigée pour une certaine quantité de gaz, la disposition suivant l'invention permettant en outre de réduire au minimum le nombre de coudes ou de spires tout en éliminant des changements de section transversale sur toutes les longueurs des passages pour les gaz d'échappement. Il suffit d'un nombre minimum de spires autour du noyau central. Cependant ces spi- res sont nécessaires pour permettre, d'une part,, l'alignement réciproque des tuyaux de dérivation et, d'autre part, de les présenter bien en regard de toutes les lumières d'échappement des cylindres.

La disposition prévue par la présente invention, supprime toutes les zones mortes inactives ou nuisibles dans la tubulure susceptibles d'accroître le volume et la surfa- ce des conduites de gaz d'échappement entre le moteur et la turbine, et qui pourraient amorcer des mouvements tourbillonnant dans le courant gazeux et produire ainsi des pertes supplémentaires de chaleur et d'autre nature.

Le tuyau d'échappement de chaque cylindre ne s'étend qu'entre sa lumière d'échappement et l'entrée de la turbine au lieu de parcourir toute la lon- gueur du moteur comme c'est le cas avec les dipositions actuellement connues.

L'une des principales caractéristiques de la présente invention, relative à un collecteur pour gaz d'échappement de moteur à combustion inter- ne, comprenant plusieurs passages pour gaz d'échappement entre un moteur à combustion interne multicylindrique et sa ou ses turbines à gaz d'échappe- ment réside dans le fait que l'agencement prévu réduit au minimum les pertes de chaleur et d'écoulement dans les gaz d'échappement, tandis que la tempé- rature de la coquille ou enveloppe qui entoure l'ensemble des tuyaux d'échap- pement est maintenue à une valeur relativement basse.

Une autre caractéristique de l'invention consiste à prévoir un montage de collecteur de tuyaux d'échappement permettant la libre dilatation de tous les organes qui le constituent aux différentes températures de fonc- tionnement, ce qui élimine les efforts mécaniques dûs aux dilatations inéga- les de pièces assemblées par soudage ou par tout autre procédé d'assemblage rigide.

En outre, tout le dispositif peut être construit économiquement à l'usine soit complètement pour être monté tel que, sur place, soit en piè- ces détachées que l'on peut monter ou démonter sur place.

Toutes les soudures telles que par exemple celles des tuyaux de dérivation'sur les tuyaux du collecteur en hélice peuvent être facilement exécutées à l'atelier. Les joints de soudure sont toujours facilement ac- cessibles aux fins d'examen.

Les caractéristiques énoncées ci-dessus et d'autres encore res- sortiront de la description ci-après relative à plusieurs modes de réalisa- tion de l'invention, donnés à titre d'exemple et représentés sur le dessin annexé sur lequel ;

La figure 1 est une coupe axiale à travers une coquille ou enve- loppe montrant l'assemblage de tubulures d'échappement prévu pour un moteur à combustion interne à huit cylindres comprenant une turbine à gaz d'échappe- ment.

La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1 en regardant dans le sens de la flèche.

La figure 3 représente à une plus grande échelle une partie de la figure 2 où l'on voit le mode de réalisation de l'enveloppe ou coquille à l'élément qui constitue le noyau central.

La figure 4 est une coupe axiale et partielle montrant la façon dont les extrémités de l'enveloppe sont fixées au noyau central.

La figure 5 est une coupe axiale à travers un raccord de tuyaux côté turbine, ce raccord permettant la dilatation thermique du tuyau.

La figure 6 est une coupe axiale à travers un joint de dilatation placé entre deux parties d'un tuyau.

Les figures 7 à 10 montrent un deuxième mode de réalisation éga- lement destiné à un moteur à combustion interne à huit cylindres en ligne.

La figure 7 est une coupe analogue à la figure 1.

La figure 8 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 7.

La figure 9 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 7.

La figure 10 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 7.

Toutes ces coupes sont représentées dans le sens des flèches res- pectives.

Les figures 11 à 13 représentent un troisième mode de réalisation mais relatif-à un moteur à combustion interne à six cylindres en ligne.

La figure 11 est-une coupe analogue à la figure 1 ou 7.

La figure 12 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 11.

La figure 13 est également une coupe suivant la ligne II-II de la figure 11 mais elle est relative à un mode de réalisation dans lequel l'enveloppe comporte des qualités pour le refroidissement par eau.

Si l'on se réfère d'abord aux figures 1 à 6, on voit que les huit cylindres du moteur "A" sont indiqués schématiquement par les chiffres de référence 1 à 8. Le moteur comporte un compresseur 9 qui fournit au mo- teur "A" une surpression d'air. Les passages pour gaz d'échappement relatifs à chaque cylindre sont désignés par des chiffres de référence 11 à 18.

Ces passages ou conduites sont constitués par des tuyaux de déri- vation soudés suivant une certaine combinaison physique aux tuyaux 11' à 14' du collecteur d'échappement qui aboutit dans la turbine 19 à gaz d'échappe- ment. Dans le cas considéré, chaque tuyau de collecteur comporte deux dé- rivations. Les cylindres 1 et 8 communiquent avec le tuyau collecteur 11', les cylindres 2 et 7 avec le tuyau collecteur 12', les cylindres 3 et 6 avec le tuyau collecteur 13' et les cylindres 4 et 5 avec le tuyau collecteur 14.

Suivant l'invention on a prévu un noyau sépare 20 agencé au cen- tre du collecteur de tuyau d'échappement et la disposition représentée sur le dessin se distingue en ce que les tuyaux individuels 11' à 14', qui for- ment le collecteur d'échappement proprement dit, s'enroulent en hélice et au voisinage l'un de l'autre autour du noyau central 20. Les points de dé- rivation aux tuyaux du collecteur d'échappement des tuyaux de dérivation 11 à 18 ont tous la même relation physique avec les raccords des lumières, d'échappement ou avec chaque lumière correspondante du cylindre desservi afin que tous ces tuyaux de dérivation se trouvent dans le même alignement et aient la même longueur ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1.

Les points de dérivation sont disposés sur le dessus des tuyaux du.collecteur d'échappement ce qui n'exclut pas la possibilité de prévoir un point de raccordement situé au-dessous ou latéralement. Des organes auxiliaires. 23 (figures 2 et 3) servent à appliquer les tuyaux 11' à 14' contre les noyaux 20.

Une enveloppe tubulaire 21, 22, composée comme on le voit de deux parties formant demi-coquilles et aménagées de façon à constituer une chemi- se pour la circulation d'eau de refroidissement, est placée autour de l'en- semble formé par les tuyaux du collecteur d'échappement. Suivant l'inven- tion, cette enveloppe du type chemise est supportée par le noyau 20 et son montage est indépendant des tuyaux 11' à 14' et 11 à 18.

Les dispositifs de fixation et de support adoptés sont représen- tés figure 3. On voit que la bride 23 est appliquée contre les tuyaux 11' et 12' par l'intermédiaire d'un ressort cylindrique 24 qu'un écrou 25 vissé sur un boulon 26 comprime contre la pièce 23. Les boulons 26, suivant l'in- vention, sont ancrés dans le noyau tubulaire 20. Ce genre de fixation, avec l'organe élastique 24, permet la libre dilatation thermique des tuyaux 11' et 14'.

La figure 3 représente également l'assemblage des deux parties qui constituent l'enveloppe 21, 22 à l'aide des éléments (c'est-à-dire les boulons d'ancrage 26) du dispositif de fixation des tuyaux 11' à 14' sur le noyau 20.

Grâce à cette disposition, le montage et le démontage de l'en- veloppe sont rendus indépendants des dispositifs de fixation des tuyaux 11' à 14'. Après avoir disposé les deux demi-coquilles autour des tuyaux 11' à 14' une vis 27 à tête six-pans et vissée dans l'extrémité extérieure du boulon 26. Il y a lieu de souligner que, suivant l'une des caractéristiques de l'invention, en aucun point il ne se produit un contact quelconque entre l'enveloppe et l'ensemble des tuyaux du collecteur d'échappement, ensemble qui atteint des températures extrêmement élevées en cours de fonctionnement.

Un jeu abondant est également entretenu à l'endroit où les tuyaux de dériva- tion traversent la paroi de l'enveloppe. Des conduites de circulation d'eau 39 et 40 sont convenablement fixées à la chemise de refroidissement pour as- surer l'alimentation et l'évacuation d'eau nécessaires, comme on le voit sur la figure 1..

La figure 4 montre la façon dont l'enveloppe est montée sur le noyau 20 à l'aide d'un flasque 28 couvrant l'extrémité de l'enveloppe 21, 22 de façon à permettre la libre dilatation de l'ensemble de tuyaux d'échap- pement et de l'enveloppe.

Les figures 5 et 6 montrent les joints de dilatation 12" et 13" placés aux différents points déjà mentionnés, ces figures ne nécessitant, au- cune explication supplémentaire attendu qu'il s'agit de joints de dilatation d'un type bien connue Ils permettent aux tuyaux d'échappement 11' à 14' et 16 à 18 du collecteur respectivement de se dilater librement.

Le genre de montage, représenté sur les figures 7 à 10, est ana-

logue à celui qui fait l'objet des figures 1 à 6.

Les huit cylindres du moteur "A" porte les chiffres de réfé- rence 1 à 8. On voit en outre en 11 à 18 les conduites de gaz d'échappe- ment fixées aux cylindres respectifs. Ces conduites constituent des dé- rivations des tuyaux du collecteur d'échappement qui vont des lumières des cylindres aux ouvertures d'admission de la turbine 19 à gaz d'échap- pement. Les tuyaux 11' à 14' sont enroulés en hélice autour du noyau 20 de la même façon que celle décrite au sujet des figures 1 à 6, et leur fixation s'opère également sur le noyau 20. Toutefois, les dispositifs de fixation employés diffèrent de ceux représentés figures 1 à 6. Des colliers ou rubans 28, 30 sont disposés autour des tuyaux 11' à 14' et fixés à l'aide de vis.

Pour donner à l'assemblage toute l'élasticité nécessaire en vue de permettre la dilatation des tuyaux, on a disposé des ressorts 33 sous les écrous 32.

Dans cet exemple, l'enveloppe diffère de celle représentée sur les figures 1 à 6 en ce qu'elle n'est pas prévue pour le refroidissement artificiel et.comporte deux moitiés 34, 35, réunies à l'aide d'une bride longitudinale 36. A l'intérieur de l'enveloppe 34,35, on peut placer une garniture calorifuge comme on l'a indiqué en 41 sur la figure 8.

Les figures 9 et 10 montrent, en plus de l'assemblage des tuyaux du collecteur à l'aide de bande ou collier,le montage de la coquille ou en- veloppe. Des colonnettes 26 sont ancrées dans le noyau 20 et les tôles mé- talliques qui forment la coquille sont fixées à ces colonnettes par des vis extérieures 37. Ce type de fixation de l'enveloppe sur le noyau est éga- lement indépendant en tous points du montage par colliers des tuyaux du col- lecteur d'échappement sur le noyau 20.

Les tôles de fer 34,35 qui constituent la coquille présentent des trous ou ouvertures appropriés aux endroits où les tuyaux de dérivation 11 à 18 traversent la coquille. Ces trous sont suffisamment grands pour ne pas entrer en contact avec la surface externe des tuyaux de dérivation. Le noyau tubulaire central 20 est fixé de la manière indiquée., toujours dans le but de permettre la libre dilatation des pièces.

Si l'on se réfère enfin aux figures 11 à 13, on voit que les six cylindres du moteur à combustion interne "A" sont désignés par les chiffres de référence 1 à 6. On voit également sur cette figure les tuyaux de dériva- tion 11 à 16 des tuyaux 11' à 13' qui forment le collecteur d'échappement disposé sur le côté du moteur et qui font communiquer les lumières d'échappe- ment avec la turbine.

Les tuyaux 11' à 13' sont également enroulés en hélice autour du noyau 20 comme dans les cas précédents, ils. sont aussi fixés d'une maniè- re élastique au noyau 20 pour permettre aux tuyaux d'échappement de se dila- ter librement. Ces dispositifs de fixation font l'objet des figures 1 à 6 et plus spécialement l'objet de la figure 3. Les cylindres 1 et 6 évacuent leurs gaz d'échappement par le tuyau 11' vers la turbine 19 à gaz d'échappe- ment. L'échappement des cylindres 2 et 5 se fait par l'intermédiaire du tuyau 12' et celui des cylindres 3 et 4 à travers le tuyau 13'.

Les figures 11 et 12 montrent un mode de réalisation qui ne com- prend aucun refroidissement par eau de l'enveloppée La figure 13 par contre montre une réalisation avec refroidissement par eau'dans laquelle les condui- tes 30 et 40 assurent respectivement l'alimentation de l'eau de refroidisse- ment et son évacuation.

Claims

R E S U M E.

La présente invention a pour objet A) Un collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne comprenant plusieurs conduites associées pour diriger les gaz d'échappement entre un moteur multicylindrique à combustion interne et sa ou ses turbines actionnées par les gaz d'échappement, ce collecteur étant caractérisé par les points suivants considérés isolément ou en combinaison :

1.- les tuyaux individuels qui constituent le collecteur de gaz d'échappement sont enroulés en hélice et à côté l'un de l'autre autour d'un noyau central séparé, des tuyaux de dérivation prévus sur ces tuyaux formant collecteur d'échappement étant reliés aux raccords d'échappement des cylindres correspondants et placés de telle sorte par rapport à chaque cylindre correspondant, que tous les tuyaux de dérivation soient alignés et approximativement d'égale longueur, la disposition comportant en outre une enveloppe fixée indépendamment des tuyaux d'échappement sur le noyau centrale de manière à entourer les tuyaux d'échappement.

2.- Les tuyaux qui forment le collecteur de gaz d'échappement sont fixés sur le noyau central à l'aide de dispositifs de montage compre- nant des organes élastiques pour permettre la libre dilatation thermique des tuyaux.

3.- Les tuyaux qui forment le collecteur de gaz d'échappement sont munis d'une enveloppe et de dispositifs pour monter cette enveloppe agencé au centre en utilisant les mêmes dispositifs que ceux qui assurent le montage des tuyaux du collecteur de gaz d'échappement.

4.- L'enveloppe comporte des dispositifs de refroidissement qui n'ont aucun pouvoir réfrigérant direct sur les tuyaux qui forment le collecteur de gaz d'échappement.

5.- L'enveloppe se compose de plusieurs pièces et elle est mon- tée sur le noyau central de telle sorte que l'on peut démonter l'enveloppe et la remonter sans démonter les tuyaux du collecteur d'échappement.

6. - L'ensemble constitué par les tuyaux d'échappement est ancré à l'aide de boulons d'ancrage d'organes accessoires et de dispositifs élas- tiques sur le noyau central séparé afin de permettre la libre dilatation thermique des tuyaux d'échappement.

7.- Les tuyaux qui forment le collecteur d'échappement, sont mu- nis d'une enveloppe et de dispositifs pour monter cette enveloppe sur lé noyau au moyen de boulons d'ancrage qui solidarisent les tuyaux d'échappe- ment à ce noyau.

.8.'- L'enveloppe qui entoure les tuyaux d'échappement est agen- cée de manière à former une chemise pour la circulation d'eau de refroidis- sement.

9. - Les tuyaux du collecteur d'échappement sont ceinturés par une ou plusieurs bandes ou un système de colliers autour du noyau central, les extrémités des bandes étant réunies à l'aide de dispositifs comprenant un ressort destiné à permettre aux tuyaux d'échappement de se dilater libre- ment.

10.- Les tuyaux qui forment le collecteur d'échappement sont mu- nis d'une enveloppe fixée au noyau à l'aide de colonnettes ancrées indépen- <Desc/Clms Page number 8> damnent des tuyaux précités dans le noyau central, et de vis à tête qui se vissent dans les extrémités libres des colonnettes précitées après avoir disposé l'enveloppe par dessus les extrémités extérieures desdites colon- nettes.

11.- La surface interne de l'enveloppe est munie d'une couche au moins de matière calorifuge.

12.- L'espace libre à l'intérieur de l'enveloppe, autour de l'assemblage de tuyaux qui forme le collecteur d'échappement, est rempli de matière calorifuge.

13.- Le montage de la coquille sur le noyau permet une dilata- tion thermique indépendante du noyau, des tuyaux du collecteur d'échappe- ment, et de l'enveloppe.

14.- Le montage de la coquille sur le noyau est prévu de maniè- re à réduire au minimum le transfert calorifique entre le noyau et la co- quille tout en permettant au noyau, aux tuyaux du collecteur d'échappement et à la coquille de se dilater librement.

15.- L'enveloppe qui entoure les tuyaux d'échappement, compor- te des parois'd'extrémités amovibles recouvrant ses ouvertures axialement dirigées et des moyens sur ce's parois pour la fixation coulissante sur le noyau agencé au centre, permettant une libre dilatation du noyau, des tuyaux formant le collecteur d'échappement des gaz, et de l'enveloppe, les uns par rapport aux autres.

B) Un procédé d'assemblage de tuyaux de collecteur d'échappement formant un tout suivant le paragraphe 1.- ci-dessus, muni de joints de dilatation,'ca- ractérisé par le fait qu'il consiste à munir les tuyaux du collecteur d'échap- pement de joints de dilatation aux endroits où la division de ces tuyaux en éléments séparés est utile pour en faciliter le montage sur le noyau central séparé.