EP1455075A1 - Conduit d'échappement à haute conservation de l'energie thermique - Google Patents

Conduit d'échappement à haute conservation de l'energie thermique Download PDF

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EP1455075A1
EP1455075A1 EP04290513A EP04290513A EP1455075A1 EP 1455075 A1 EP1455075 A1 EP 1455075A1 EP 04290513 A EP04290513 A EP 04290513A EP 04290513 A EP04290513 A EP 04290513A EP 1455075 A1 EP1455075 A1 EP 1455075A1
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exhaust
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calibrations
junction
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Renault SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F01N13/102—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds having thermal insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4214—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves per cylinder

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust duct of internal combustion engine comprising two exhaust pipes and allowing to conserve the thermal energy contained in the gases of combustion.
  • exhaust pipes comprising two pipes angled exhaust whose first ends extend respectively, from the fire face of a cylinder head two seats exhaust and whose second ends meet symmetrically by forming a junction in order to recover and channel combustion gases, in particular to the catalytic converter and / or the particles.
  • the invention described in document WO O1 / 3306 proposes to maintain the exhaust duct in sheet metal by a few connecting points, thus leaving a substantial part of the free external wall.
  • the exhaust pipes thus produced are good market but they do not avoid thermal losses by convection.
  • An object of the present invention is then to produce conduits that not only conserve energy thermal combustion gases but also which are likely to be manufactured at low cost.
  • the present invention provides an internal combustion engine exhaust duct comprising two bent exhaust pipes whose first ends extend respectively, from the fire face of a cylinder head two exhaust seats, the wall internal bore of said first ends defining two calibrations of diameter D, of the second ends of said two bent exhaust pipes joining symmetrically by forming a junction; said junction is located in the vicinity of a plane P tg which is tangent to two cylinders defined by said calibrations and which intersects said bent exhaust pipes.
  • a characteristic of the invention resides in the junction of the two exhaust pipes which is located closest to the seats exhaust, in the direction of gas flow, while respecting the thermomechanical holding possibilities of the breech and the trigger guard of the face fire between the exhaust pipes.
  • the gas jet is plated earlier at the top of the exhaust pipes, in the direction of gas flow, so that the surface flux is much lower at the junction of two exhaust pipes.
  • X min D / (2cos ⁇
  • the exhaust duct according to the invention transfers exhaust gases from the engine cylinder to the manifold exhaust with less heat loss than art ducts prior.
  • said cylindrical member is inclined relative to said plane P tg so that said axis A forms an angle ⁇ greater than 90 ° with said plane P tg .
  • the obtuse angle thus formed by the first end of the exhaust pipes and the cylindrical member allows a flow of less turbulent gas and therefore with less heat exchange at the walls; compared to a right angle exhaust pipe.
  • said angle ⁇ is less than 10 °, and thus limits the angle ⁇ between the axis A and said plane P tg .
  • FIG. 1 shows an exhaust duct 10, said to have a 0 ° pattern, connected to a cylinder head 12 in the upper part of a internal combustion.
  • the 0 ° pattern corresponds to the relative arrangement of engine valves and cylinders.
  • the exhaust duct 10 has two portions 14, 16 constituting exhaust pipes, the first ends 18, 20 of which are connected to a fire face 22 of the cylinder head 12 of an engine opposite a cylinder, to a distance ep corresponding to the width of the trigger guard. Second ends 24, 26 of said portions meet to form a cylindrical member 28 of axis A and a junction edge 30, up to one end 29 forming an exhaust face and defining a vertical plane P 4 .
  • the substantially parabolic shape of the joining edge 30 is determined so as to obtain minimum pressure drops and the cylindrical member has an oblong cross section whose hydraulic diameter is D s .
  • D s is defined by the quotient of the surface of the cross section by the perimeter corresponding to said quotient being multiplied by four.
  • the axis A of the cylindrical member 28 is included in a vertical plane of symmetry perpendicular to the plane of Figure 1 and by relationship to which the exhaust pipes 14, 16 are the image of one another.
  • the exhaust gas jets collected by the two pipes exhaust are guided in substantially the same direction when they open into the cylindrical organ, which generates less exhaust gas turbulence and therefore less heat exchange to the walls.
  • An essential characteristic of the invention resides in the position of the junction 30 with respect to the cylinder head 12, this position being defined by a vertical plane P 1 which is perpendicular to the plane of Figure 1, of which the trace and which is tangent to the junction edge 30.
  • the position of the vertical plane P 1 is relative to a vertical plane P 2 of which it is spaced by a distance X and which will be detailed with reference to FIG. 2, the distance X being framed by two values, X min and X max .
  • the portion 16 of the exhaust pipe 10 forming an exhaust pipe which is extended at its second end 26 by the cylindrical member 28 and whose first end 20 is connected to the fire face 22 of the cylinder head 12 of the engine.
  • the internal wall of the first ends 18, 20 connected is bored and defines two calibrations 32 of diameter D. These bores are produced from the internal face of the cylinder head without drawback, since X is greater than X min .
  • the calibrations 32 have a central point 34, through which passes the vertical plane P 2 which is also parallel to the axis of the engine cylinder, which vertical plane P 2 also intersects the central point of the calibration of the other exhaust pipe 14 and which is parallel to the vertical plane P 1 which is also found in this FIG. 2.
  • the exhaust pipes 14, 16 are connected together so that their junction is located as close as possible to the fire face 22 of the cylinder head 12 and preferably, so that P 1 intersects the axis A in the vicinity of the point P which corresponds to the plane intersection P tg which is tangent to two cylinders 36 defined by said calibrations and which intersects said bent exhaust pipes.
  • the axes of symmetry of the two cylinders 36 define a plane P 3 passing through the central point 34 of each of the two calibrations 32.
  • the axis of symmetry A of the cylindrical member 28 that is found in Figure 2 forms with the plane P 3 , an angle ⁇ between 90 and 140 °, for example 110 °.
  • Combustion gases from the cylinder escaping through a seat exhaust at the fire face 22 of the cylinder head 12, are evacuated very quickly in the cylindrical member 28 which further decreases the heat transfer time between hot combustion gas and pipes exhaust 14, 16.
  • the cylinder head 12 has water core passages, not shown, in the vicinity of the exhaust seats and it expands thermally. As a result, the junction between the two pipes exhaust 14, 16 cannot be moved indefinitely close to the seats to respect the thermomechanical behavior of the cylinder head.
  • This distance corresponds to the projection of the central point 34 on the plane P tg parallel to the axis A.
  • the upper limit distance X max between the plane P 1 and the plane P 2 is defined relative to the length of the cylindrical member 28, the plane P 4 being spaced from the plane P 2 by a distance Y and X max being equal to Y ( ep / (2D + ep-D s )).
  • the preferred distance X pref is that which corresponds exactly to the distance between point P and the intersection I of the axis A and the plane P 2 .
  • the gas jet is plated earlier at the top of the pipes, in the direction of flow of the exhaust gases, so the surface flux is much lower in the downstream part of the conduit, beyond the junction edge 30 in the direction F.
  • the temperature gradient between the gases exhaust and the wall is less and the velocities of these gases are reduced by the fact that the section is greater than the sum of the sections of two separate cylindrical members.

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Abstract

L'invention concerne un conduit d'échappement (10) de moteur à combustion interne comprenant deux pipes d'échappement coudées (14,16) dont les premières extrémités (18,20) prolongent respectivement, à partir de la face feu (22) d'une culasse (12) deux sièges d'échappement, la paroi interne alésée desdites premières extrémités (18,20) définissant deux calibrages (32) de diamètre D, des secondes extrémités (24,26) desdites deux pipes d'échappement coudées (14,16) se rejoignant symétriquement en formant une jonction (30). Ladite jonction (30) est située au voisinage d'un plan Ptg qui est tangent à deux cylindres (36) définis par lesdits calibrages (32) et qui coupe lesdites pipes d'échappement coudées (14,16). <IMAGE>

Description

La présente invention se rapporte à un conduit d'échappement de moteur à combustion interne comprenant deux pipes d'échappement et permettant de conserver l'énergie thermique contenue dans les gaz de combustion.
On connaít des conduits d'échappement comprenant deux pipes d'échappement coudées dont les premières extrémités prolongent respectivement, à partir de la face feu d'une culasse deux sièges d'échappement et dont les secondes extrémités se rejoignent symétriquement en formant une jonction afin de récupérer et de canaliser les gaz de combustion, notamment vers le pot catalytique et/ou le filtre à particules.
Que ce soit pour régénérer le filtre à particules ou pour amorcer au plus tôt le catalyseur dudit pot catalytique, il est nécessaire que les gaz de combustion du moteur conservent toute leur énergie thermique lorsqu'ils traversent les dispositifs correspondant.
Ainsi, une solution qui s'impose à l'évidence est d'isoler les conduits d'échappement pour diminuer au maximum l'échange d'énergie des gaz chauds aux parois.
C'est dans ce but que l'invention décrite dans le document US 6 390 051 a été réalisée. Elle propose d'isoler des conduits d'échappement de fine épaisseur au moyen d'un anneau de sable. Ce système est relativement efficace mais il est d'une part relativement encombrant et d'autre part extrêmement coûteux.
A l'inverse, pour diminuer les pertes thermiques aux parois des conduits et notamment les pertes par conduction, l'invention décrite dans le document WO O1/3306 propose de maintenir le conduit d'échappement en tôle par quelques points de liaison, laissant ainsi une partie substantielle de la paroi externe libre. Les conduits d'échappement ainsi réalisé sont bon marché mais ils n'évitent pas les pertes thermiques par convexion.
Un objet de la présente invention est alors de réaliser des conduits d'échappement qui permettent non seulement de conserver l'énergie thermique des gaz de combustion mais aussi qui sont susceptibles d'être fabriqués à faibles coûts.
A cet effet, la présente invention propose un conduit d'échappement de moteur à combustion interne comprenant deux pipes d'échappement coudées dont les premières extrémités prolongent respectivement, à partir de la face feu d'une culasse deux sièges d'échappement, la paroi interne alésée desdites premières extrémités définissant deux calibrages de diamètre D, des secondes extrémités desdites deux pipes d'échappement coudées se rejoignant symétriquement en formant une jonction ; ladite jonction est située au voisinage d'un plan Ptg qui est tangent à deux cylindres définis par lesdits calibrages et qui coupe lesdites pipes d'échappement coudées.
Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la jonction des deux pipes d'échappement qui est située au plus près des sièges d'échappement, dans le sens de l'écoulement des gaz, tout en respectant les possibilités de tenue thermomécanique de la culasse et du pontet de la face feu entre les pipes d'échappement. De la sorte, grâce aux qualités aérodynamiques des pipes d'échappement, le jet de gaz est plaqué plus tôt dans le haut des pipes d'échappement, dans le sens de l'écoulement des gaz, de sorte que le flux surfacique est beaucoup plus faible à la jonction des deux pipes d'échappement. Ainsi, ces caractéristiques concourent à la diminution des pertes thermiques des gaz d'échappement aux parois des pipes d'échappement.
Par ailleurs, en raccourcissant le chemin de passage qui s'étend du siège d'échappement jusqu'à la jonction entre les pipes d'échappement, on diminue la quantité de matière nécessaire à l'élaboration dudit conduit d'échappement et par conséquent son coût de production.
Préférentiellement, les axes de symétrie desdits calibrages définissent un plan P3 incliné d'un angle β par rapport à un plan P2 passant par le centre des deux calibrages parallèlement à l'axe du cylindre dudit moteur, et un plan P1, parallèle audit plan P2 et tangent à une arrête définie par ladite jonction, est espacé dudit plan P2 d'une distance X supérieure à Xmin = D/(2cosβ). De la sorte, comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description, le conduit d'échappement pour lequel cette distance limite est respectée permet non seulement la réduction des pertes thermiques, mais aussi est adapté à l'usinage des calibrages.
Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, lesdites premières extrémités sont espacées l'une de l'autre d'une distance ep, lesdites secondes extrémités se rejoignant en formant ladite jonction qui est prolongée par un seul organe cylindrique d'axe A et de diamètre hydraulique Ds jusqu'à une extrémité formant face d'échappement et définissant un plan P4 parallèle à P2 et espacé de lui d'une distance Y et, ladite distance X est inférieure à Xmax = Y(ep/(2D+ep-Ds)).
De la sorte, le conduit d'échappement conforme à l'invention, transfère les gaz d'échappement du cylindre du moteur au collecteur d'échappement avec moins de pertes thermiques que les conduits de l'art antérieur.
Avantageusement, ledit organe cylindrique est incliné par rapport audit plan Ptg de façon que ledit axe A forme un angle α supérieur à 90° avec ledit plan Ptg. L'angle obtus que forme ainsi la première extrémité des pipes d'échappement et l'organe cylindrique permet un écoulement de gaz moins turbulent et donc avec moins d'échanges thermiques aux parois ; en comparaison avec un conduit d'échappement à angle droit. De façon préférentielle, ledit angle β est inférieur à 10°, et limite ainsi l'angle α entre l'axe A et ledit plan Ptg.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
  • la Figure 1 est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation d'un conduit d'échappement conforme à l'invention ;
  • la Figure 2 est une vue schématique verticale en élévation de côté du conduit représenté sur la Figure 1 selon II ; et,
  • la Figure 3 est une vue de détail de la Figure 2.
La Figure 1 montre un conduit d'échappement 10, dit de motif 0°, raccordé à une culasse 12 dans la partie supérieure d'un moteur à combustion interne. Le motif 0° correspond à la disposition relative des soupapes et des cylindres du moteur.
Le conduit d'échappement 10 présente deux portions 14, 16 constituant des pipes d'échappement, dont les premières extrémités 18, 20 sont raccordées à une face feu 22 de la culasse 12 d'un moteur en regard d'un cylindre, à une distance ep correspondant à la largeur du pontet. Des secondes extrémités 24, 26 desdites portions, se rejoignent en formant un organe cylindrique 28 d'axe A et une arête de jonction 30, jusqu'à une extrémité 29 formant face d'échappement et définissant un plan vertical P4. De plus, la forme sensiblement parabolique de l'arête de jonction 30 est déterminée de façon à obtenir des pertes de charges minimales et l'organe cylindrique présente une section droite oblongue dont le diamètre hydraulique est Ds. Ds est défini par le quotient de la surface de la section droite par le périmètre correspondant ledit quotient étant multiplié par quatre.
Par ailleurs, l'axe A de l'organe cylindrique 28 est compris dans un plan de symétrie vertical perpendiculaire au plan de la Figure 1 et par rapport auquel les pipes d'échappement 14, 16 sont l'image l'une de l'autre. Ainsi, les jets de gaz d'échappement collectés par les deux pipes d'échappement sont guidés sensiblement dans une même direction lorsqu'ils débouchent dans l'organe cylindrique, ce qui génère moins de turbulences des gaz d'échappement et donc moins d'échanges thermiques aux parois.
Une caractéristique essentielle de l'invention réside dans la position de la jonction 30 vis-à-vis de la culasse 12, cette position étant définie par un plan vertical P1 qui est perpendiculaire au plan de la Figure 1, dont on a représenté la trace et qui est tangent à l'arête de jonction 30. La position du plan vertical P1 est relative à un plan vertical P2 dont il est espacé d'une distance X et que l'on détaillera en référence à la Figure 2, la distance X étant encadrée par deux valeurs, Xmin et Xmax.
On retrouve sur cette Figure 2, la portion 16 du conduit d'échappement 10, formant pipe d'échappement qui est prolongée à sa seconde extrémité 26 par l'organe cylindrique 28 et dont la première extrémité 20 est raccordée à la face feu 22 de la culasse 12 du moteur. En outre, la paroi interne des premières extrémités 18, 20 raccordées, est alésée et définit deux calibrages 32 de diamètre D. Ces alésages sont réalisés depuis la face interne de la culasse sans inconvénient, dès lors que X est supérieur à Xmin.
Les calibrages 32 présentent un point central 34, par lequel passe le plan vertical P2 qui est également parallèle à l'axe du cylindre du moteur, lequel plan vertical P2 coupe également le point central du calibrage de l'autre pipe d'échappement 14 et qui est parallèle au plan vertical P1 que l'on retrouve également sur cette Figure 2.
Ainsi, les pipes d'échappement 14, 16, sont raccordées ensemble de façon que leur jonction soit située au plus près de la face feu 22 de la culasse 12 et de préférence, de façon que P1 coupe l'axe A au voisinage du point P qui correspond à l'intersection plan Ptg qui est tangent à deux cylindres 36 définis par lesdits calibrages et qui coupe lesdites pipes d'échappement coudées. Les axes de symétrie des deux cylindres 36 définissent un plan P3 passant par le point central 34 de chacun des deux calibrages 32.
En outre, l'axe de symétrie A de l'organe cylindrique 28 que l'on retrouve sur la Figure 2, forme avec le plan P3, un angle α compris entre 90 et 140°, par exemple 110°.
Les gaz de combustion du cylindre qui s'échappent à travers un siège d'échappement au niveau de la face feu 22 de la culasse 12, s'évacuent très rapidement dans l'organe cylindrique 28 ce qui diminue d'autant plus les temps de transfert thermique entre le gaz chaud de combustion et les pipes d'échappement 14, 16.
Par ailleurs, la culasse 12 présente des passages de noyau d'eau, non représentés, au voisinage des sièges d'échappement et elle se dilate thermiquement. En conséquence, la jonction entre les deux pipes d'échappement 14, 16 ne peut être indéfiniment rapprochée des sièges d'échappement pour respecter la tenue thermomécanique de la culasse.
La distance limite inférieure Xmin entre le plan P1 et le plan P2, qui est illustrée plus en détail sur la Figure 3, correspond à D/(2cosβ), l'angle β correspondant à l'angle entre P2 et P3 et étant lié à l'angle α par la relation β=α-90, en degré. Cette distance correspond à la projection du point central 34 sur le plan Ptg parallèlement à l'axe A.
La distance limite supérieure Xmax entre le plan P1 et le plan P2 est définie par rapport la longueur de l'organe cylindrique 28, le plan P4 étant espacé du plan P2 d'une distance Y et Xmax valant Y(ep/(2D+ep-Ds)).
Dans le cas où ep=D/3, et où par exemple D=Ds, Xmax serait alors égal à Y/4.
Entre ces distances limites Xmin et Xmax, la distance préférée Xpréf est celle qui correspond exactement à la distance qui sépare le point P et l'intersection I de l'axe A et du plan P2.
On prendra par exemple, la distance du point central 34 à I égale à 4/5 D, Xpréf étant alors égale à D/(2cosβ)+4/5 D tg β.
Ainsi, grâce à ces caractéristiques, le jet de gaz est plaqué plus tôt dans le haut des pipes, dans le sens F d'écoulement des gaz d'échappement, de sorte que le flux surfacique est beaucoup plus faible dans la partie aval du conduit, au-delà de l'arête de jonction 30 dans le sens F. Dans cette section, de l'organe cylindrique 28, le gradient de température entre les gaz d'échappement et la paroi est moindre et les vitesses de ces gaz sont réduites du fait que la section est plus grande que la somme des sections de deux organes cylindriques séparés.
En conséquence, le flux global aux parois des pipes d'échappement diminue plus rapidement et la perte thermique des gaz d'échappement en est réduite, ce qui permet d'atteindre plus rapidement la température d'amorçage du catalyseur ou de régénération du filtre à particules.

Claims (4)

  1. Conduit d'échappement de moteur à combustion interne comprenant deux pipes d'échappement coudées dont les premières extrémités sont espacées l'une de l'autre d'une distance ep et prolongent respectivement, à partir de la face feu d'une culasse, deux sièges d'échappement, la paroi interne alésée desdites premières extrémités définissant deux calibrages (32) de diamètre D dont les axes de symétrie définissent un plan P3 incliné d'un angle β par rapport à un plan P2 passant par le centre (34) des deux calibrages (32) parallèlement à l'axe du cylindre dudit moteur, des secondes extrémités desdites deux pipes d'échappement coudées se rejoignant symétriquement en formant une jonction définissant une arête (30), un plan P1, parallèle audit plan P2 et tangent à ladite arête (30) étant espacé dudit plan P2 d'une distance X, ladite jonction étant prolongée par un seul organe cylindrique (28) d'axe A et de diamètre hydraulique Ds jusqu'à une extrémité formant face d'échappement et qui définit un plan P4 parallèle à P2 et espacé de lui d'une distance Y;
       caractérisé en ce que ladite distance X est inférieure à Xmax = Y(ep/(2D+ep-Ds)).
  2. Conduit d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ladite distance X est supérieure à Xmin = D/(2cosβ).
  3. Conduit d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lesdits calibrages définissant deux cylindres et un plan tangent Ptg auxdits deux cylindres qui coupe lesdites pipes d'échappement coudées, ledit organe cylindrique (28) est incliné par rapport audit plan Ptg de façon que ledit axe A forme un angle α supérieur à 90° avec ledit plan Ptg.
  4. Conduit d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit angle β est inférieur à 10°.
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DE602004000616T2 (de) 2007-01-25
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