CH622063A5

CH622063A5 -

Info

Publication number: CH622063A5
Application number: CH55278A
Authority: CH
Inventors: Remi Curtil
Original assignee: Semt
Priority date: 1977-01-24
Filing date: 1978-01-19
Publication date: 1981-03-13
Also published as: YU14078A; DE2858176C2; FR2378178A1; SE434866B; IN149459B; DE2802515A1; FR2378178B1; NO780238L; AU3263078A; NL7800860A; GB1583631A; US4288988A; NO151600B; JPS5395423A; BE863187A; ES466294A1; DK147501B; FI66235B; IT1104392B; PL118605B1

Description

L'invention concerne un procédé d'amortissement des oscillations de pression dans un collecteur d'échappement de plusieurs cylindres d'un moteur à combustion interne suralimenté.

Au préalable, il est important de définir les différents dispositifs d'échappement pour un moteur à combustion interne à un étage de suralimentation du type à turbocompresseur à gaz d'échappement, à savoir:

— les dispositifs d'échappement par ondes de pression;

— les dispositifs d'échappement à pression sensiblement constante;

— les dispositifs d'échappement à convertisseur d'impulsions.

Dans un dispositif d'échappement par ondes de pression, le moteur est équipé de plusieurs collecteurs d'échappement pour une même rangée de cylindres avec plusieurs entrées de turbines. Pour ce type de suralimentation, on allie un minimum de pertes d'énergie, au cours du transport des gaz des cylindres à la turbine, à un bon balayage des cylindres, ce qui est intéressant à toutes les charges, mais surtout aux faibles charges où cela est le plus nécessaire. En revanche, l'énergie parvient à la turbine sous forme de bouffées, et cela conduit à un rendement d'autant plus limité de la turbine que son alimentation est partielle.

Au contraire, dans un dispositif d'échappement du type à pression constante, le moteur est équipé d'un collecteur unique pour au moins une rangée de cylindres, ce qui permet d'obtenir un rendement optimal de l'utilisation de l'énergie des gaz d'échappement dans la turbine, mais au prix d'une perte importante d'énergie au cours de son transport et d'un niveau de balayage limité, phénomène particulièrement sensible et défavorable aux charges partielles.

Dans un dispositif d'échappement du type à convertisseur d'impulsions, le moteur est équipé de plusieurs collecteurs qui débouchent, par des éjecteurs, dans un tube mélangeur qui lui-même communique avec un diffuseur intercalaire avant l'entrée de la turbine. Ce dispositif permet d'avoir une bonne alimentation de la turbine, sans trop détériorer le balayage des cylindres. Ainsi, un tel dispositif est un juste milieu entre les deux autres dispositifs d'échappement précités, mais au prix d'une perte d'énergie au cours du transport des gaz d'échappement. Un tel dispositif présente cependant les mêmes problèmes de réflexion des ondes qu'avec les dispositifs d'échappement à ondes de pression, car le compromis à trouver sur la restriction de section de chaque éjecteur placé en bout de chaque collecteur (côté turbine) pour l'isolement d'un collecteur par rapport à un autre, conduit à des ondes réfléchies qui perturbent surtout la vidange des cylindres les plus éloignés. De ce fait, aux faibles charges et donc en accélération, ce dispositif n'apporte pas de gain par rapport à un collecteur à pression constante. Il est à noter, en plus, que la présence du diffuseur intercalaire peut poser des problèmes au niveau de la place réellement libre dont on peut disposer dans un tel dispositif d'échappement pour son implantation.

On a cherché à améliorer l'écoulement des gaz dans un collecteur d'échappement à pression sensiblement constante d'un moteur suralimenté, en créant un effet d'éjection à la confluence de chaque tubulure de raccordement aux culasses des cylindres associés avec le collecteur unique pour au moins une rangée de cylindres. Pour cela, chaque tubulure de raccordement est conçue pour que la vitesse axiale des gaz dans le collecteur et la vitesse des gaz dans la tubulure au niveau de leur confluence aient sensiblement la même direction, comme cela est décrit notamment dans le brevet américain N° 3380246.

De plus, dans cette solution, de façon à limiter au maximum les pertes de charge et le décollement de la veine-fluide dans les tubulures de raccordement, chaque tubulure a une surface en section transversale qui diminue de façon continue dans la direction de l'écoulement des gaz.

Cependant, il est à noter que cette décroissance continue de la surface en section transversale de chaque tubulure donne finalement une longueur de tuyauterie de raccordement relativement importante.

En outre, l'utilisation d'un collecteur unique par rangée de cylindres, dans le cas d'un gros moteur, tout en apportant un gain d'encombrement appréciable par rapport à un collecteur multiple, pose des problèmes relatifs à son support, à l'alignement des différents tronçons raccordés par des soufflets de dilatation, et à son déplacement axial sous les contraintes thermiques.

L'invention a pour but de supprimer ces inconvénients en créant un dispositif d'échappement indépendant du nombre de cylindres tout en alliant les avantages d'un collecteur à ondes de pression et d'un collecteur classique à pression sensiblement constante.

A cet effet, l'invention propose un procédé d'amortissement des oscillations de pression dans un collecteur d'échappement de plusieurs cylindres d'un moteur à combustion interne suralimenté, avec effet d'éjection des gaz à leur entrée dans le collecteur, caractérisé en ce qu'il consiste à ouvrir la soupape d'échappement jusqu'au voisinage du point mort bas du piston, à conserver au maximum l'énergie potentielle résiduelle des gaz du cylindre lors de leur passage dans la tubulure de raccordement, vers la fin du temps de détente, en étranglant l'écoulement des gaz à proximité maximale de la sortie du cylindre, puis à augmenter l'effet d'éjection, en accélérant l'écoulement des gaz dans le collecteur par transformation de l'énergie de pression en énergie de vitesse communiquée aux gaz présents dans le collecteur, en réduisant la section uniforme d'écoulement dans le collecteur à une valeur inférieure à celle de l'alésage du cylindre, de façon à obtenir la plus grande vitesse possible d'écoulement des gaz.

L'invention propose également un dispositif d'échappement pour la mise en œuvre du procédé, caractérisé en ce que le collecteur d'échappement présente des tubulures de raccordement dont chacune est conformée suivant une tuyère dont les surfaces en section transversale à sa sortie du côté collecteur et à son entrée du côté cylindre sont dans un rapport compris entre 0,3 et 0,8.

Les caractéristiques et détails apparaîtront plus clairement à l'aide de la description explicative qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels :

la fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'une fraction d'un dispositif conforme à l'invention, avec un premier mode de réalisation des tubulures de raccordement du collecteur;

la fig. 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1 ; la fig. 3 est une vue partielle en élévation d'un dispositif conforme à l'invention pour un moteur à combustion interne suralimenté;

la fig. 4 est une vue partielle en élévation d'un tronçon de collecteur avec des tuyères de raccordement selon un second mode de réalisation ;

la fig. 5 est une vue en coupe longitudinale d'un tronçon de collecteur avec une tubulure de raccordement suivant un troisième mode de réalisation ;

la fig. 6 est une vue en bout suivant la flèche VI de la fig. 5 illustrant le mode de raccordement de chaque tubulure avec le collecteur;

la fig. 7 est une vue en coupe suivant la ligne VII-VII de la fig. 5 ; la fig. 8 est une vue en bout au niveau d'un tronçon de collecteur avec une tubulure de raccordement suivant un quatrième mode de réalisation;

la fig. 9 est une vue schématique d'un ensemble de collecteur d'échappement, avec une réalisation plus simple;

la fig. 10 est une vue schématique en coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'un tronçon de collecteur d'échappement;

la fig. 11 est une vue de face d'un autre mode de réalisation d'un tronçon de collecteur d'échappement;

la fig. 12 est une vue en coupe transversale de ce tronçon,

selon la ligne XII-XII de la fig. 11 ;

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la fig. 13 est une vue partielle en coupe de ce tronçon selon la ligne XIII-XIII de la fig. 11 ;

la fig. 14 représente graphiquement différentes courbes illustrant les caractéristiques de pression dans un cylindre, de pression dans sa tubulure de raccordement, de la pression de suralimentation pour un dispositif d'échappement conforme à l'invention non équipé d'un diffuseur, en fonction de la position du piston dans le cylindre repérée suivant les angles de l'arbre-manivelle;

la fig. 15 représente les mêmes courbes que la fig. 14, mais pour un collecteur d'échappement à ondes de pression;

la fig. 16 représente graphiquement le cycle basse pression d'un moteur à combustion interne équipé d'un dispositif d'échappement conforme à l'invention, avec les caractéristiques des courbes de la fig. 14;

la fig. 17 représente graphiquement le cycle basse pression d'un moteur à combustion interne à collecteur d'échappement à ondes de pression ayant les caractéristiques représentées sur la fig. 15;

la fig. 18 est une vue schématique de face d'un premier mode de réalisation d'une volute de raccordement de la sortie du collecteur d'échappement à la turbine de suralimentation;

la fig. 19 est une vue schématique en coupe transversale de cette volute montée sur la turbine;

la fig. 20 est une vue développée de la volute représentée dans les fig. 18 et 19;

la fig. 21 représente schématiquement un autre mode de réalisation de cette volute de raccordement, formée de deux demi-volutes accolées et isolées l'une de l'autre;

la fig. 22 est une vue schématique développée de la volute de la fig. 21 ;

la fig. 23 représente schématiquement un autre mode de réalisation de la volute de raccordement, formée de deux demi-volutes accolées et communiquant l'une avec l'autre;

la fig. 24 est une vue schématique développée de la volute de la fig. 23;

la fig. 25 est une vue schématique en coupe transversale d'un autre mode de réalisation du raccordement de la sortie du collecteur d'échappement à la turbine, et la fig. 26 est une vue schématique en coupe selon la ligne XXVI-XXVI de la fig. 25.

On considère un moteur à combustion interne équipé d'un collecteur unique pour au moins une rangée de cylindres, avec une suralimentation du type par turbocompresseur à gaz d'échappement.

En référence aux fig. 1 à 3, le collecteur d'échappement 1, suivant un premier mode de réalisation, comprend par exemple plusieurs tronçons intermédiaires 2 identiques, sauf le premier (non représenté) à l'extrémité opposée à la turbosoufïlante 3, et qui est muni d'un couvercle de fermeture. Entre le dernier tronçon 2 et la turbosoufflante 3 est prévu un raccord 4 qui peut être avantageusement un diffuseur, que l'on n'a aucune difficulté à implanter, étant donné le gain de place offert par le collecteur d'échappement. Les différents tronçons 2 du collecteur, à raison de un par cylindre, sont axialement alignés et raccordés deux à deux par des boîtes à segment 5 ou par des soufflets de dilatation classiques.

Chaque tronçon de collecteur 2 comprend un conduit principal 6 terminé à une extrémité par une bride de raccordement 7 (par exemple du côté opposé à la turbosoufflante 3).

Au niveau de chaque tronçon de collecteur 2 est associée une tubulure de raccordement 8 à la culasse 9 du cylindre associé. Chaque tubulure de raccordement 8 est constituée par un élément cylindrique 10 monté concentriquement et extérieurement au conduit principal 6 vers son extrémité opposée à sa bride de raccordement 7. Plus précisément, cet élément cylindrique 10 a sa surface d'extrémité (du côté de la bride 7 du conduit principal 6) raccordée au conduit 6, alors que son autre surface d'extrémité est libre et s'étend légèrement au-delà de la surface d'extrémité libre dudit conduit. Dans cet élément cylindrique 10 débouche, perpendiculairement à son axe, un autre élément cylindrique 11 très court, et qui est lui-même raccordé à la culasse 9 du cylindre associé.

s Pour assurer le raccordement de deux tronçons de collecteur 2, est prévue une pièce annulaire 12 formant éjecteur, dont une extrémité est munie d'une bride 13 destinée à coopérer avec la bride 7 du tronçon de collecteur 2 adjacent par l'intermédiaire d'une boîte à segment 5. Vers son autre extrémité, la pièce 12 est io pourvue d'une portée cylindrique 14 dont la surface périphérique est filetée, et est vissée à l'intérieur de l'extrémité libre du cylindre 10.

La pièce 12 formant éjecteur, une fois positionnée, est telle que l'extrémité libre du conduit principal 6 pénètre en partie à l'inté-15 rieur de la pièce 12 sans être en contact avec elle. Ainsi, on forme dans le sens de l'écoulement des gaz une sectiôn de passage annulaire 15, suivie d'une section de passage totale au niveau de la pièce 12.

Suivant les cas, la pièce 12 peut présenter un profil intérieur 20 différent, dans le sens que l'on peut augmenter ou diminuer la section de passage annulaire 15 par laquelle vont s'écouler les gaz d'échappement. En outre, son profil intérieur permet également de faire varier l'angle d'incidence de l'écoulement des gaz d'échappement par rapport à l'axe du collecteur, cet angle étant 25 de préférence voisin de 0°.

En se référant à la fig. 4, on a représenté un tronçon 2 d'un collecteur 1 suivant un second mode de réalisation. Sur un même tronçon 2 débouchent, par exemple, deux tubulures de raccordement 20 (en forme de tuyère) courbes à restriction de section et 30 ayant une longueur très réduite. Dans ce mode de réalisation, chaque tubulure est rapportée par soudage sur le collecteur, et débouche plus ou moins par une extrémité à l'intérieur du conduit principal 6 du tronçon. Bien évidemment, la courbure de chaque tuyère est telle que l'on cherche à diminuer l'angle d'incidence 35 entre les gaz du collecteur et les gaz provenant de chaque tubulure de raccordement. Il est à noter que, dans ce cas, on a une section de passage totale des gaz à la confluence de chaque tubulure de raccordement avec-le collecteur.

En se référant aux fig. 5 à 7, on a représenté un tronçon 2 d'un 40 collecteur d'échappement avec une tubulure de raccordement 30 suivant un troisième mode de réalisation. La tubulure de raccordement 30, également en forme de tuyère, se rapproche de celle du premier mode de réalisation (fig. 1) mais, dans ce cas, la pièce formant éjecteur 12 est directement solidaire de, ou incorporée à, 45 la tubulure de raccordement. Dans le sens de l'écoulement des gaz, on forme, autour du conduit principal 6 du tronçon de collecteur, une section de passage annulaire 33 rétrécie du côté opposé à l'entrée de la tuyère, une section de passage annulaire 31 progressivement décroissante, et enfin une section de passage so totale 32 à la confluence de la tubulure avec le collecteur. Chaque tubulure de raccordement 33 et le conduit principal 6 du collecteur sont raccordés, non pas par soudage, mais par vissage par l'intermédiaire d'un support 34 et de vis 35.

En se référant à la fig. 8, on a représenté schématiquement une 55 vue en bout d'un tronçon de collecteur 2, avec une tubulure de raccordement 40 suivant un quatrième mode de réalisation, et qui se distingue principalement des autres modes de réalisation, en ce sens que la section de passage 41 entre chaque tubulure de raccordement et le collecteur n'est pas partiellement annulaire. 60 Dans chacun des modes de réalisation, on a par conséquent conformé chaque tubulure de raccordement (8,20, 30, 40) suivant une tuyère dont la restriction de section formée par le rapport de la surface en section transversale (côté collecteur) et la surface en section transversale (côté cylindre) est comprise entre 0,3 et 0,8 et 65 de préférence entre 0,4 et 0,5.

Avec ce collecteur d'échappement, on peut réduire le diamètre intérieur du collecteur d'une façon importante par rapport à un collecteur à pression sensiblement constante classique, et on le

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choisit de façon que le rapport entre son diamètre et l'alésage des cylindres soit compris entre 0,30 et 0,75.

Il est à noter également que, dans tous les modes de réalisation, la longueur des tubulures de raccordement est faible, ce qui permet, d'une part, d'éviter l'utilisation de soufflets de dilatation et, par conséquent, permet, d'autre part, à cette tubulure raccordée à la culasse du moteur de supporter directement le tronçon de collecteur associé. Cela est en outre facilité du fait que l'on a réduit considérablement le diamètre intérieur du collecteur.

On va maintenant décrire, en référence aux fig. 9 à 13, divers modes de réalisation simplifiés et améliorés de ce collecteur d'échappement.

En fig. 9, on a représenté l'ensemble des deux collecteurs d'échappement 70 associés chacun à l'une des deux rangées de cylindres en V d'un moteur à combustion interne comprenant au moins quatre cylindres par rangée. Chaque collecteur d'échappement 70 est constitué d'un certain nombre de tronçons indépendants 71, 72,73 et 74, qui sont alignés bout à bout et reliés ensemble par l'intermédiaire de pièces de raccordement 75, qui peuvent être des boîtes de segment ou des joints de dilatation, chaque extrémité d'un tronçon de collecteur étant reliée à l'extrémité correspondante de la pièce de raccordement 75 par des colliers de serrage 76.

Le premier tronçon 72, formant l'extrémité fermée du collecteur 70, est fermé à une extrémité 77 et est relié à son extrémité opposée au tronçon suivant 71, par l'intermédiaire d'une pièce de raccordement 75. L'avant-dernier tronçon 73 du collecteur 70 a une forme coudée, pour permettre le croisement des deux collecteurs d'échappement 70 comme représenté en fig. 9, et le dernier tronçon 74 formant la sortie du collecteur d'échappement est destiné à être relié à l'entrée d'une turbine de suralimentation.

Chaque tronçon de collecteur 71, 72 et 73 est formé d'une pièce, par fonderie, avec une tubulure 78 de raccordement au cylindre correspondant.

On notera que les divers tronçons des collecteurs d'échappement 70 reprennent toutes les caractéristiques décrites, et qu'en particulier chaque tubulure de raccordement 78 a la forme d'une tuyère dont les surfaces en section transversale à la sortie (côté collecteur) et à l'entrée (côté cylindre) sont dans un rapport compris entre 0,3 et 0,8, et de préférence entre 0,4 et 0,5. Le rapport entre le diamètre intérieur du collecteur d'échappement 70 et l'alésage des cylindres est compris entre 0,30 et 0,75. On notera encore que la section de passage des gaz d'échappement à l'intérieur d'un collecteur 70 est constante et uniforme sur toute la longueur du collecteur.

Avantageusement, dans ces collecteurs d'échappement 70,

ainsi que dans les deux autres modes de réalisation décrits dans les fig. 10 à 13, l'angle que fait l'axe longitudinal d'un tronçon de collecteur avec l'axe de la tubulure de raccordement à un cylindre à son entrée dans le collecteur est de l'ordre de 30° environ.

Deux modes de réalisation particuliers de tronçons du collecteur d'échappement sont décrits plus en détail dans les fig. 10 à 13.

Le tronçon de collecteur 80 représenté en fig. 10 est destiné à un moteur à cylindres en V et est de forme sensiblement cylindrique à section circulaire, et comporte d'une seule pièce une tubulure de raccordement 81 sensiblement droite, de longueur faible. Comme indiqué plus haut, l'angle que fait l'axe longitudinal 82 du tronçon 80 du collecteur avec l'axe longitudinal 83 de la tubulure 81 à son entrée dans le collecteur est de 30° environ. Chaque extrémité du tronçon 80 de collecteur comprend une première bride circulaire 84, permettant le raccordement par vissage ou au moyen d'un collier de serrage au tronçon adjacent de collecteur, et une seconde bride circulaire en retrait 85. Les lignes 86 et 87 indiquent schématiquement l'intersection de l'extrémité de la tubulure 81 avec le tronçon cylindrique 80 du collecteur.

Les fig. 11 à 13 représentent schématiquement un autre mode de réalisation d'un tel tronçon de collecteur, qui est destiné à un moteur à cylindres en ligne. Le tronçon de collecteur 90 est de forme sensiblement cylindrique à section circulaire, et est formé d'une pièce avec la tubulure 91 de raccordement au cylindre correspondant, qui se termine par une bride 92 de fixation sur la culasse. On voit sur les fig. 11 et 12 que la tubulure de raccordement 91 n'est pas sensiblement rectiligne, comme dans le cas de la fig. 10, mais qu'elle est au contraire incurvée de façon gauche, et la fig. 13 indique la forme de la section transversale de l'extrémité de cette tubulure de raccordement à son débouché dans le tronçon de collecteur 90. Comme précédemment, le tronçon 90 comprend, à chacune de ses extrémités, une bride circulaire 93 permettant la jonction au tronçon adjacent de collecteur ou à une pièce intermédiaire de raccordement, par un collier de serrage.

En fig. 14, on a représenté différentes courbes de pression, limitées aux basses pressions, en fonction des angles de l'arbre-manivelle, le point mort haut du piston correspondant à l'angle 0°. Sur le graphique, on a repéré les instants relatifs à l'ouverture de la soupape d'échappement OE, l'ouverture de la soupape d'admission OA, la fermeture ae la soupape d'échappement FE, et la fermeture de la soupape d'admission FA.

On a représenté en traits continus forts la pression mesurée dans le cylindre (courbe A), en traits continus moins accentués la pression d'échappement des gaz mesurée dans les tubulures de raccordement à la sortie des cylindres (courbe B), en traits pointillés la pression de suralimentation mesurée dans le collecteur d'admission (courbe C), et en traits mixtes la pression d'échappement sans l'effet d'éjection au niveau des tubulures de raccordement (courbe D).

L'étude des courbes de la fig. 14 (sans l'utilisation d'un diffuseur) montre qu'après l'ouverture de la soupape d'échappement (—240°), on entame la phase d'échappement du cycle et une onde de pression ou bouffée (courbe B) prend naissance dans la tubulure de raccordement du cylindre considéré. Cette onde de pression a son amplitude qui augmente relativement vite (front de montée assez raide), et elle atteint un maximum au voisinage du point mort bas (—80°) du piston. Dès cet instant, l'onde décroît avec un front de descente moins raide que le front de montée, et est alors suivie dans sa décroissance par la pression (courbe A) régnant dans le cylindre. Cette décroissance est suffisamment rapide pour assurer une bonne vidange du cylindre.

Ensuite, l'onde de pression (courbe B) oscille légèrement, et elle correspond alors aux bouffées subsistant dans le collecteur et qui proviennent des autres cylindres. La pression dans le cylindre (courbe A), quant à elle, à partir du point mort bas du piston, va commencer à croître progressivement pour passer dans la partie haute pression du cycle (non représenté).

Il est à noter qu'entre l'ouverture de la soupape d'admission et la fermeture de la soupape d'échappement, la pression dans la tubulure de raccordement (courbe B) a une valeur suffisamment plus faible que la pression de suralimentation (courbe C) pour qu'un balayage correct du cylindre ait lieu (partie pointillée de la fig. 14).

Ainsi, entre l'ouverture de la soupape d'échappement et jusqu'au voisinage du point mort bas du cylindre, on conserve au maximum l'énergie potentielle des gaz du cylindre lors de leur passage dans la tubulure de raccordement, ce qui est obtenu par la forte restriction de section de ladite tubulure. Cela revient, en fait, à augmenter la contre-pression initiale dans la tubulure de raccordement, ce qui est très favorable pour diminuer, d'une part, les pertes par laminage au passage de la soupape d'échappement et, d'autre part, la température de la soupape. De cette façon on évite la transformation d'une partie de l'énergie cinétique en chaleur.

Il est très important de noter que la conservation d'énergie au passage du cylindre à la tubulure de raccordement entre l'ouverture d'échappement et le point mort bas se fait à un moment favorable du cycle et permet d'améliorer la vidange du cylindre dans la phase suivante.

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Ensuite, grâce à l'effet d'éjection de la tuyère de raccordement, on accélère le transfert des gaz de la tubulure de raccordement dans le collecteur par transformation de l'énergie de pression en énergie de vitesse, énergie prélevée sur la bouffée elle-même et non produite par le travail du piston.

Par la réduction de la section uniforme d'écoulement dans le collecteur, on maintient une vitesse d'écoulement des gaz élevée; ensuite, cette énergie de vitesse est retransformée en énergie de pression par le diffuseur qui est placé avantageusement à l'entrée de la turbosoufflante, et dont l'utilisation permet en outre de diminuer la pression statique dans le collecteur, et par conséquent d'améliorer encore la vidange des cylindres qui est sensiblement la même pour tous.

En se reportant à nouveau à la fig. 14, si on supprime l'effet d'éjection produit par les tubulures de raccordement, on obtiendrait dans le collecteur une courbe oscillante (telle que la courbe D) à fortes bouffées Dl, D2,..., provenant des différents cylindres, ce qui est absolument néfaste pour les caractéristiques du moteur.

En se référant à la fig. 15, on a représenté les mêmes types de courbes que sur la fig. 14, mais pour un collecteur d'échappement à ondes de pression. On remarque que, dans ce type de collecteur, on obtient un bon balayage des cylindres (zone pointillée), étant donné que, entre l'ouverture de la soupape d'admission et la fermeture de la soupape d'échappement, la pression de suralimentation (courbe C) est nettement supérieure à la pression dans la tubulure de raccordement (courbe B).

Cependant, on peut remarquer que l'onde de pression (courbe B) de la fig. 14 pour un dispositif d'échappement conforme à l'invention présente une durée qui est inférieure à celle de l'onde de pression de la fig. 15, c'est-à-dire que l'on a une vidange plus rapide et plus complète des cylindres dans le cas de l'invention.

En se référant aux fig. 16 et 17, on a représenté la partie basse pression du cycle moteur correspondant respectivement aux fig. 14 et 15, la pression dans le cylindre étant représentée en fonction du volume dudit cylindre en pour-cent.

L'étude comparative de ces deux courbes 16,17 montre que le travail négatif effectué par chaque piston est moindre dans le cas du dispositif conforme à l'invention (fig. 16) que dans le cas du collecteur à ondes de pression (fig. 17). Le travail négatif de chaque piston est sensiblement représenté par les surfaces pointil-lées des deux figures.

Ainsi, un dispositif conforme à l'invention offre de nombreux avantages par rapport aux collecteurs connus, et cela en ayant non seulement augmenté l'effet d'éjection en étranglant l'écoulement des gaz, mais surtout en plaçant cet effet d'éjection à proximité maximale de la sortie du cylindre, alors que, par exemple, dans le collecteur à convertisseur d'impulsions, l'effet d'éjection est situé vers l'extrémité du collecteur (côté turbosoufflante).

La présence d'une pression sensiblement constante à la sortie du collecteur peut permettre l'utilisation d'un tel collecteur dans différents dispositifs tels que celui connu sous le nom de Comprex qui nécessite une alimentation presque constante, dispositif qui se substitue aux turbosoufflantes.

Dans le cas d'un moteur à double suralimentation, un dispositif d'échappement conforme à l'invention peut être avantageusement utilisé comme étage haute pression turbine.

Le dispositif conforme à l'invention peut être utilisé pour des moteurs non suralimentés pour obtenir une meilleure vidange et une puissance plus grande.

Les collecteurs qui viennent d'être décrits ont notamment comme avantages d'être réalisés avec un diamètre nettement plus petit que celui des collecteurs généralement utilisés, d'où un gain de place, de fournir gratuitement une énergie de vitesse des gaz qui peut être transformée à la sortie de ces collecteurs en énergie de pression, et de présenter une section sensiblement égale à la section efficace de la tuyère d'entrée de la turbine de suralimentation.

Les turbosoufflantes des moteurs suralimentés sont conçues et réalisées pour être raccordées, du côté de leur entrée de gaz, aux collecteurs connus de la technique antérieure, donc avec un diamètre d'entrée plus grand que celui du collecteur du dispositif selon l'invention. Pour raccorder ce collecteur à une telle turbine, il faut donc normalement utiliser un diffuseur, dont l'angle d'ouverture, pour assurer une transformation efficace en pression de l'énergie cinétique des gaz présente à son entrée, devrait avoir un angle d'ouverture de 10 à 15°, ce qui entraînerait une longueur de l'ordre de 500 mm. La place nécessaire au logement de ce diffuseur serait supérieure à celle dont on dispose en général, d'autant plus que l'entrée de la turbine est souvent placée latéralement. L'implantation d'un diffuseur est donc difficile ou impossible en général.

De plus, le rendement d'un tel diffuseur est très faible. La vitesse des gaz à la sortie du collecteur ne baisse que très peu avec la charge et la vitesse du moteur, contrairement au taux de détente utilisable des gaz, de sorte que la composante d'énergie cinétique peut donc atteindre une proportion importante de la composante de pression aux charges partielles. Cette composante d'énergie cinétique est en grande partie détruite et est transformée en chaleur entre l'extrémité du collecteur et le point situé devant le distributeur de la turbine. En effet, en ce point, la vitesse des gaz est d'environ 3 à 4 fois plus faible (environ 0,1-0,2 Mach) qu'à la sortie du collecteur, et il n'y a pas de récupération intermédiaire d'énergie, parce que le diffuseur et la configuration du bâti d'entrée de gaz de la turbine ne permettent que de façon très impor-faite la transformation de la vitesse en énergie de pression. En raison de la dégradation partielle en chaleur de l'énergie utilisable à la sortie du collecteur au passage du diffuseur et du bâti d'entrée de gaz de la turbine, il n'est plus possible thermodynamiquement d'obtenir par accélération des gaz dans le distributeur, à sa sortie, sur une section efficace d'écoulement égale à celle de la sortie du collecteur, la vitesse que l'on avait initialement à la sortie du collecteur. Il est donc avantageux de supprimer l'ensemble diffuseur/bâti d'entrée de gaz avec distributeur, peu efficace, de façon à pouvoir utiliser intégralement la composante de vitesse initiale des gaz à la sortie du collecteur.

On propose donc de réaliser une liaison permettant de faire arriver dans la turbine des gaz dont la vitesse est conservée à un niveau maximal, pour un maximum d'énergie tout en gardant une énergie disponible peu dépendante de la charge du moteur.

Pour cela, on prévoit d'offrir aux gaz sortant du collecteur une section d'écoulement constante ou diminuant progressivement jusqu'à la roue de turbine, afin de créer les conditions requises pour l'attaque de cette roue, c'est-à-dire à l'opposé de ce que réalise un diffuseur déjà décrit comme peu favorable.

On conserve ainsi, dans l'énergie totale disponible des gaz sortant du collecteur, la composante de vitesse ou énergie cinétique des gaz, que l'on avait à la sortie du collecteur, et qui ne dépend pratiquement pas de la charge et du régime du moteur.

Il est avantageux de diminuer de façon sensiblement linéaire ladite section d'écoulement des gaz entre collecteur et turbine.

De préférence, la sortie du collecteur d'échappement est reliée directement à la turbine par un conduit, volute ou analogue, dont la section d'écoulement des gaz est constante ou diminue progressivement de la sortie du collecteur jusqu'à la roue de la turbine.

On va décrire maintenant, en référence aux fig. 18 à 20, un premier mode de réalisation d'une volute de raccordement de la sortie du collecteur d'un dispositif d'échappement selon l'invention, à l'entrée d'une turbine axiale de suralimentation d'un moteur à combustion interne.

Dans ce premier mode de réalisation, la liaison entre la sortie du collecteur d'échappement et la turbine axiale 50 utilise un bâti 51 d'entrée de gaz de la turbine, sans tuyère, en forme de volute, qui est monté sur le châssis de la turbine de façon à recou5

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vrir la roue 52 de celle-ci, portant des ailettes radiales 53 de hauteur h. Cette volute 51 a une forme telle que la section de passage des gaz d'échappement diminue progressivement de telle sorte que la vitesse d'attaque de la roue 52 de la turbine par les gaz d'échappement soit constante sur tout le pourtour de cette roue, cette section de passage des gaz étant maximale à l'entrée F de la volute et nulle à la sortie F', en décroissant de façon sensiblement linéaire le long de la circonférence de diamètre moyen d.

Dans le cas où la section de sortie du collecteur d'échappement est telle que la vitesse demandée par la turbine n'est pas atteinte, on diminue alors légèrement la section d'entrée en F (cette section d'entrée en F étant inférieure ou égale à la section en G qui est la section de sortie du collecteur d'échappement), la section de passage des gaz dans la volute diminuant toujours progressivement de façon sensiblement linéaire jusqu'à la section en F' à l'entrée de la turbine.

Dans les raccordements classiques entre un collecteur d'échappement et une turbine axiale, l'angle sous lequel les gaz attaquent la roue de la turbine et pour lequel on obtient le rendement maximal est obtenu par la valeur de l'inclinaison des aubages à la sortie du distributeur de la turbine. Dans le dispositif d'échappement selon l'invention, dans lequel le raccordement ne comprend pas de distributeur, l'angle optimal d'attaque de la roue 52 par les gaz d'échappement est obtenu par l'angle a que fait la face extérieure d'appui des gaz sur la volute avec un plan parallèle au plan de la roue 52 de la turbine.

Pour réaliser l'adaptation à plusieurs débits de gaz, il est nécessaire de procéder d'une manière différente de celle qui est connue pour ces turbines axiales classiques, et qui consiste, dans la technique antérieure, à changer la section efficace et/ou l'incidence du distributeur, le profil de la roue étant adapté au triangle de vitesse régnant du pied de l'ailette de la roue jusqu'à son extrémité. Dans le dispositif selon la présente invention, on réalise cette adaptation en modifiant le diamètre dF à l'entrée de la volute 51 et/ou en faisant varier la hauteur h des ailettes 53 de la roue 52 de la turbine.

Dans le cas d'un moteur à combustion interne à deux rangées de cylindres en V, il est intéressant d'utiliser, pour le raccordement à la turbine des sorties des deux collecteurs d'échappement associés chacun à une rangée de cylindres, une volute à double entrée, telle que représentée dans les fig. 21 et 22 ou 23 et 24, chaque entrée de la volute recevant les gaz d'échappement d'un collecteur associé à une rangée de cylindres. En fonction de l'ordre d'allumage des cylindres et de leur nombre, on utilisera soit deux demi-volutes accolées et isolées l'une de l'autre alimentant chacune un demi-secteur de roue de turbine (cas de deux rangées de cylindres indépendantes quand le moteur comprend un nombre suffisant de cylindres, par exemple au moins quatre cylindres par rangée à allumages se succédant régulièrement), soit deux demi-volutes accolées et communiquant entre elles (dans le cas par exemple où les allumages des cylindres dans les rangées ne se succèdent pas régulièrement).

En fig. 21, on a représenté schématiquement une telle volute de raccordement 55 formée de deux demi-volutes 56 accolées en cercle, et comprenant chacune une entrée 57, diamétralement opposée à l'entrée de l'autre demi-volute, et reliée à un collecteur d'échappement associé aux cylindres, d'une des deux rangées en V. Les flèches de la fig. 21 montrent le trajet parcouru par les gaz d'échappement dans chaque demi-volute, ceux-ci pénétrant dans une entrée 57 et passant dans la demi-volute 56 jusqu'à son extrémité diamétralement opposée. La fig. 22 représente schématiquement le développé de ces deux demi-volutes 56 et l'on voit clairement qu'elles sont isolées l'une de l'autre.

Dans le cas de la fig. 23, la volute 58 de raccordement entre la sortie du collecteur d'échappement et la turbine axiale est constituée de deux demi-volutes 59 accolées en cercle, qui communiquent l'une avec l'autre et comprennent chacune une entrée 60

associée à un collecteur d'échappement d'une rangée de cylindres, et l'on voit, sur la vue développée en fig. 24, que chaque demi-volute 59 est reliée à l'autre demi-volute 59 à son extrémité diamétralement opposée à son entrée 60.

Les fig. 25 et 26 représentent schématiquement un autre mode de réalisation du raccordement de la sortie d'un collecteur d'échappement à une turbine axiale 50, du même type que celle représentée schématiquement en fig. 19. Dans le cas des fig. 25 et 26, la liaison entre le collecteur d'échappement et l'entrée des ailettes 53 de la roue 52 de la turbine est réalisée par un bâti de raccordement 61, de forme sensiblement tronconique, qui est monté par une extrémité sur le châssis de la turbine 50, en recouvrant la roue 52 de la turbine, et dont l'extrémité 62 est reliée à la sortie du collecteur d'échappement. Ce bâti de raccordement a pour but de maintenir constante ou de diminuer légèrement la section efficace de passage offerte aux gaz d'échappement, en leur donnant à la sortie du bâti l'incidence voulue a pour l'attaque des ailettes 53 de la roue de la turbine. Ce but est atteint au moyen d'une ogive centrale 63, de forme sensiblement conique, qui est disposée à l'intérieur du bâti 61 de façon à recouvrir, par sa grande base, sensiblement le moyeu de la roue 52 comme représenté en fig. 25, et au moyen d'aubages 64 qui sont disposés sensiblement radialement entre l'ogive 63 et le bâti 61 et qui déterminent l'incidence recherchée pour l'attaque de la roue 52. Cet angle a est celui que fait la tangente à la face côté gaz de l'aubage 64 à son extrémité côté sortie des gaz, avec un plan parallèle au plan de la roue 52 de la turbine.

Les aubages 64, qui s'étendent jusqu'au voisinage immédiat des ailettes 53 de la roue 52 de la turbine, peuvent partir de différents points, a, b ou c. Ces différentes longueurs d'aubage permettent de donner à l'ogive 63 la forme la mieux adaptée. L'ogive 63 est fixée au bâti 61 par l'intermédiaire des aubages 64, ou bien est rendue solidaire du bâti de la turbine, les aubages 64 et le bâti 61 de raccordement pouvant alors être ou non solidaires.

Comme on l'a indiqué plus haut, les différents modes de raccordement entre la sortie du collecteur et la roue d'une turbine axiale de suralimentation, qui ont été décrits dans les fig. 18 à 26, permettent de conserver intégralement l'énergie cinétique des gaz d'échappement présente à la sortie du collecteur d'échappement alors que cette énergie cinétique est partiellement dégradée en chaleur dans le cas de la technique antérieure, selon laquelle le raccordement entre collecteur et turbine comprend un diffuseur et un distributeur d'entrée des gaz d'échappement.

A titre d'exemple, on indiquera que, dans le cas d'un moteur comprenant de 5 à 9 cylindres par rangée, la vitesse moyenne des gaz d'échappement en bout d'un collecteur d'échappement est de l'ordre de 0,3 Mach dans le cas de la technique antérieure, qu'elle est comprise entre 0,3 et 0,45 Mach avec le dispositif décrit dans les fig. 1 à 12, et qu'elle est comprise entre 0,45 et 0,7 Mach avec les dispositifs décrits dans les fig. 18 à 26. On comprend donc que l'on peut ainsi conserver et même améliorer les avantages obtenus par rapport à la technique antérieure par les dispositions des fig. 1 à 12.

On notera enfin que le procédé décrit est applicable aussi bien aux moteurs à quatre temps qu'aux moteurs à deux temps.

Dans l'un et l'autre cas, on obtient les avantages suivants:

Entre l'ouverture d'échappement et le point mort bas du piston d'un cylindre, la contre-pression initiale dans chaque tubulure de raccordement est augmentée, ce qui est favorable pour diminuer considérablement les pertes inévitables par laminage entre chaque cylindre et chaque tubulure de raccordement au niveau du passage de la soupape d'échappement.

La température des gaz d'échappement sortie cylindre et entrée turbine est diminuée de 30 à 40° par rapport à un collecteur classique, et la température des soupapes d'échappement est abaissée d'environ 50 à 60° par rapport à un collecteur classique.

On obtient une meilleure vidange — celle-ci est en outre sensiblement identique par tous les cylindres — qui permet

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d'abaisser la consommation spécifique du moteur de l'ordre de 2 à 3% sans l'utilisation d'un diffuseur, et de 5 à 6% avec un diffuseur. L'utilisation d'un diffuseur permet d'abaisser la pression statique moyenne dans le collecteur d'environ 10%, ce qui donne encore une meilleure vidange des cylindres.

On obtient également un meilleur balayage des cylindres aux charges réduites, donc une aptitude aux prises de charges comparable à celle du collecteur à convertisseur d'impulsions et supérieure à celle du collecteur à pression sensiblement constante, avec des risques moindres d'encrassement.

Le dispositif d'échappement permet une utilisation de la turbosoufflante aux vitesses élevées.

L'utilisation de tuyères à forte restriction de section permet de diminuer la longueur des tuyauteries de raccordement, et par

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conséquent d'améliorer l'effet d'éjection des gaz à leur confluence avec le collecteur. De plus, l'utilisation de tuyères à forte restriction de section permet d'atténuer les oscillations de pression induite dans le collecteur après transfert de l'énergie cinétique des s gaz sortant de chaque tuyère aux gaz se trouvant dans le collecteur.

On rend possible l'optimisation de l'ouverture à l'échappement du fait que tous les cylindres ont la même vidange.

Dans le cas de la segmentation d'un collecteur de grande longueur, les tronçons de collecteur associés chacun à une tubulo Iure de raccordement sont de préférence sensiblement identiques, ce qui facilite la mise en œuvre d'un tel collecteur d'échappement. En outre, la réduction des dimensions des tubulures de raccordement et du collecteur permet un gain appréciable en encombrement et en prix de revient.

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REVENDICATIONS

1. Procédé d'amortissement des oscillations de pression dans un collecteur d'échappement de plusieurs cylindres d'un moteur à combustion interne suralimenté, avec effet d'éjection des gaz à leur entrée dans le collecteur, caractérisé en ce qu'il consiste à ouvrir la soupape d'échappement jusqu'au voisinage du point mort bas du piston, à conserver au maximum l'énergie potentielle résiduelle des gaz du cylindre lors de leur passage dans la tubulure de raccordement, vers la fin du temps de détente, en étranglant l'écoulement des gaz à proximité maximale de la sortie du cylindre, puis à augmenter l'effet d'éjection en accélérant l'écoulement des gaz dans le collecteur (1) par transformation de l'énergie de pression en énergie de vitesse communiquée aux gaz présents dans le collecteur, en réduisant la section uniforme d'écoulement dans le collecteur (1) à une valeur inférieure à celle de l'alésage du cylindre, de façon à obtenir la plus grande vitesse possible d'écoulement des gaz.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à retransformer l'énergie de vitesse des gaz en une énergie de pression à la sortie du collecteur (1).
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir, entre la sortie du collecteur (1) et l'entrée d'une turbine de suralimentation (50), la vitesse acquise par les gaz d'échappement dans le collecteur, en maintenant constante ou à diminuer progressivement la section d'écoulement des gaz entre la sortie du collecteur et la roue (52) de la turbine (50).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer de façon linéaire la section d'écoulement des gaz entre collecteur et turbine.
5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que, pour obtenir un rendement maximal de la turbine en fonction des débits de gaz, il consiste à régler la section d'écoulement des gaz à la sortie du collecteur et ajuster la hauteur des ailettes (53) de la roue (52) de la turbine (50).
6. Dispositif d'échappement pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur d'échappement présente des tubulures de raccordement (8, 20, 30, 40, 78, 81, 91) dont chacune est conformée suivant une tuyère dont les surfaces en section transversale à sa sortie du côté collecteur et à son entrée du côté cylindre sont dans un rapport compris entre 0,3 et 0,8.
7. Dispositif d'échappement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre intérieur du collecteur (1) et l'alésage des cylindres est compris entre 0,30 et 0,75.
8. Dispositif d'échappement selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le collecteur (1) est un collecteur à section constante.
9. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que chaque tubulure de raccordement (8, 20, 30, 40, 78, 81, 91) présente, au niveau de sa confluence avec le collecteur, une section de passage soit annulaire, soit partiellement annulaire, soit non annulaire.
10. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le collecteur (1) est supporté directement par les tubulures de raccordement (8,20, 30, 40, 78, 81, 91) reliées aux culasses (9) des cylindres associés.
11. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que chaque tubulure de raccordement (8) est constituée par un élément cylindrique (10) monté concen-triquement et extérieurement au conduit principal (6) d'un tronçon de collecteur (2), et dont une surface d'extrémité est raccordée audit conduit, alors que son autre surface d'extrémité est libre et s'étend au-delà de la surface d'extrémité libre dudit conduit, par un second élément cylindrique (11) débouchant perpendiculairement dans le premier élément cylindrique (10) et raccordé à la culasse du cylindre associé, et par une pièce annulaire (12) formant éjecteur, dont une extrémité est raccordée au tronçon de collecteur adjacent, et dont l'autre extrémité est pourvue d'une portée cylindrique (14) vissée à l'intérieur de l'extrémité libre du premier élément cylindrique (10).
12. Dispositif d'échappement selon la revendication 11, caractérisé en ce que la pièce annulaire (12) possède un profil intérieur variable.
13. Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne suralimenté, selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisé en ce qu'un diffuseur (4) est monté entre la sortie du collecteur et l'entrée de l'étage de suralimentation.
14. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 6 à 12, comprenant une turbine de suralimentation du moteur à combustion interne, caractérisé en ce que la sortie du collecteur d'échappement est reliée directement à la turbine (50) par un conduit (51, 55, 58, 61) dont la section d'écoulement des gaz est constante ou diminue progressivement de la sortie du collecteur jusqu'à la roue (52) de la turbine.
15. Dispositif d'échappement selon la revendication 14, caractérisé en ce que la section d'écoulement diminue de façon sensiblement linéaire.
16. Dispositif d'échappement selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que le conduit est constitué par un bâti (51) d'entrée de gaz de la turbine, en forme de volute s'étendant sur 360° environ, dont la section à l'entrée est sensiblement égale à la section de sortie du collecteur et diminue progressivement jusqu'à une valeur sensiblement nulle à la sortie, de telle sorte que la vitesse d'attaque de la roue (52) de la turbine est sensiblement constante sur tout le pourtour de la roue.
17. Dispositif d'échappement selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que le conduit est constitué par un bâti (55, 58) d'entrée de gaz de la turbine en forme de deux demi-volutes (56,

59) accolées en prolongement l'une de l'autre, à double entrée (57,

60) dont l'une est alimentée en gaz d'échappement par une ligne de cylindres d'un moteur en V, et dont l'autre entrée est alimentée par l'autre ligne de cylindres, les deux demi-volutes alimentant chacune un secteur de la roue de turbine.
18. Dispositif d'échappement selon la revendication 17, caractérisé en ce que les deux demi-volutes (59) communiquent entre elles, en particulier dans le cas où les allumages des cylindres par ligne du V ne se succèdent pas régulièrement.
19. Dispositif d'échappement selon la revendication 17, caractérisé en ce que les deux demi-volutes (56) sont isolées l'une de l'autre, en particulier pour un moteur à au moins huit cylindres en V, dans lequel les allumages des cylindres par ligne se succèdent régulièrement.
20. Dispositif d'échappement selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que le conduit est constitué par un bâti (61) de raccordement de forme sensiblement tronconique, dont la petite base est reliée au collecteur et dont la grande base coiffe la roue (52) de la turbine, ce bâti (61) contenant une ogive (63) de forme correspondante recouvrant le moyeu de la roue de turbine, et des aubages (64) disposés sensiblement radialement entre l'ogive (63) et le bâti (61) de façon à amener les gaz d'échappement à l'angle d'incidence voulu sur les ailettes (53) de la roue (52) de turbine.
21. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 6 àlO, caractérisé en ce que le collecteur est réalisé sous la forme de plusieurs tronçons (70, 80, 90) disposés bout à bout et reliés fixement l'un à l'autre, chaque tronçon de collecteur étant réalisé en une seule pièce avec sa tubulure (78, 81, 91) de raccordement au cylindre correspondant.
22. Dispositif d'échappement selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'axe de la tubulure (78, 81, 91) de raccordement à son débouché dans le tronçon de collecteur (70, 80, 90) fait un angle d'environ 30° avec l'axe longitudinal du tronçon de collecteur.

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