EP1455075B1 - 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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EP1455075B1
EP1455075B1 EP20040290513 EP04290513A EP1455075B1 EP 1455075 B1 EP1455075 B1 EP 1455075B1 EP 20040290513 EP20040290513 EP 20040290513 EP 04290513 A EP04290513 A EP 04290513A EP 1455075 B1 EP1455075 B1 EP 1455075B1
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exhaust
plane
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junction
angle
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Jildaz Legendre
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Renault SAS
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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 ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • 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 pipe of an internal combustion engine comprising two exhaust pipes and making it possible to conserve the thermal energy contained in the combustion gases.
  • Exhaust ducts comprising two bent exhaust tubes whose first ends extend respectively from the fire side of a cylinder head two exhaust seats and whose second ends join symmetrically forming a junction in order to recover and channel the combustion gases, in particular to the catalytic converter and / or the particulate filter.
  • FIG. WO 01/3306 proposes to maintain the exhaust duct sheet by a few connection points, leaving a substantial portion of the free outer wall.
  • the exhaust ducts thus produced are inexpensive but they do not avoid thermal losses by convection.
  • Document FR 2,770,256 mentions an exhaust duct comprising two paired exhaust pipes, but there is no indication of how this duct makes it possible to reduce the thermal losses of the exhaust gases which flow there.
  • An object of the present invention is then to provide exhaust ducts that not only conserve the thermal energy of the combustion gases but also that can be manufactured at low costs.
  • the present invention provides an exhaust pipe according to claim 1.
  • a feature of the invention lies in the junction of the two exhaust pipes which is located closer to the exhaust seats, in the direction of the gas flow, while respecting the possibilities of thermomechanical behavior of the cylinder head and fire-head bridge between the exhaust pipes.
  • the jet of gas is plated earlier in the top of the exhaust pipes, in the direction of the gas flow, so that the flux is much more weak at the junction of the two exhaust pipes.
  • X min D / (2cos ⁇
  • said cylindrical member is inclined with respect to said plane P tg so that said axis A forms an angle ⁇ greater than 90 ° with said plane P tg .
  • the obtuse angle that thus forms the first end of the exhaust pipes and the cylindrical member allows a flow of gas less turbulent and therefore with less heat exchange at the walls; in comparison with a right-angle exhaust duct.
  • said angle ⁇ is less than 10 °, and thus limits the angle ⁇ between the axis A and said plane P tg .
  • Figure 1 shows an exhaust duct 10, said pattern 0 °, connected to a cylinder head 12 in the upper part of an internal combustion engine.
  • the 0 ° pattern corresponds to the relative arrangement of the engine valves and cylinders.
  • the exhaust duct 10 has two portions 14, 16 constituting exhaust pipes, whose first ends 18, 20 are connected to a fire face 22 of the cylinder head 12 of an engine facing a cylinder, to a distance ep corresponding to the width of the bridge. Second ends 24, 26 of said portions are joined forming a cylindrical member 28 of axis A and a joining edge 30, to an 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 minimal pressure losses 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 section right by the perimeter corresponding said quotient being multiplied by four.
  • the axis A of the cylindrical member 28 is included in a plane of vertical symmetry perpendicular to the plane of FIG. 1 and with respect to which the exhaust pipes 14, 16 are the image of one of the other.
  • the exhaust gas jets collected by the two exhaust pipes are guided substantially in the same direction when they open into the cylindrical member, which generates less turbulence of the exhaust gases and therefore less fuel. thermal exchanges at the walls.
  • An essential feature of the invention lies in the position of the junction 30 with respect to the yoke 12, this position being defined by a vertical plane P 1 which is perpendicular to the plane of FIG. trace and which is tangent to the joining edge 30.
  • the position of the vertical plane P 1 is relative to a vertical plane P 2 from which it is spaced a distance X and which will be detailed with reference to FIG. 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 inner wall of the first ends 18, 20 connected is bored and defines two calibrations 32 of diameter D. These bores are made from the inner face of the yoke without inconvenience, since X is greater than X min .
  • the calibrations 32 have a central point 34, through which 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 engine, passes. the other exhaust pipe 14 and which is parallel to the vertical plane P 1 that is also found in this Figure 2.
  • the exhaust pipes 14, 16 are connected together so that their junction is situated 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 ⁇ of between 90 and 140 °, for example 110 °.
  • the combustion gases of the cylinder which escape through an exhaust seat at the fire face 22 of the cylinder head 12, are evacuated very rapidly in the cylindrical member 28 which further reduces the times of thermal transfer between the hot combustion gas and the exhaust pipes 14, 16.
  • the yoke 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 exhaust pipes 14, 16 can not be brought indefinitely close to the exhaust 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 with respect 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 equal to Y ( ep / (2D + ep-D s )).
  • the preferred distance X pref is that which corresponds exactly to the distance between the point P and the intersection I of the axis A and the plane P 2 .
  • the jet of gas is plated earlier in the top of the pipes, in the direction F of exhaust gas flow, so that the flux is much lower in the downstream part of the duct. , beyond the joining edge 30 in the direction F.
  • the cylindrical member 28 the temperature gradient between the exhaust gas and the wall is less and the speeds of these gases are reduced because the section is larger than the sum of the sections of two separate cylindrical members.

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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 connaît 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 O1/33066 propose de maintenir le conduit d'échappement en tôle par quelques points de liaison, laissant ainsi une partie substantielle de la paroi externe libre. Les conduits d'échappement ainsi réalisé sont bon marché mais ils n'évitent pas les pertes thermiques par convexion.
  • Il est fait mention, dans le document FR 2 770 256, d'un conduit d'échappement comprenant deux pipes d'échappement appariées, mais rien n'indique de quelle manière ce conduit permet de diminuer les pertes thermiques des gaz d'échappement qui s'y écoulent.
  • 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 selon la revendication 1.
  • 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.
  • 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 (14,16) dont les premières extrémités sont espacées l'une de l'autre d'une distance ep et prolongent respectivement (18,20), 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 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 (24,26) desdites deux pipes d'échappement coudées (14,16) se rejoignant symétriquement en formant une jonction (30) définissant une arête de jonction (30), un plan P1, parallèle audit plan P2 et tangent à ladite arête (30) étant espace dudit plan P2 d'une distance X, ladite jonction (30) 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)) de façon que ladite jonction soit située près des sièges d'échappement pour diminuer les pertes thermiques des gaz d'échappement.
  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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