EP2032827B1 - Dispositif d'echappement comportant une culasse munie d'un collecteur d'echappement integre decouple thermique - Google Patents

Dispositif d'echappement comportant une culasse munie d'un collecteur d'echappement integre decouple thermique Download PDF

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EP2032827B1 EP07788989A EP07788989A EP2032827B1 EP 2032827 B1 EP2032827 B1 EP 2032827B1 EP 07788989 A EP07788989 A EP 07788989A EP 07788989 A EP07788989 A EP 07788989A EP 2032827 B1 EP2032827 B1 EP 2032827B1
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exhaust
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    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels
    • F02F2001/4278—Exhaust collectors

Definitions

  • the invention relates to an exhaust system for a multi-cylinder internal combustion engine of a motor vehicle comprising a cylinder head of said engine in which exhaust pipes are arranged, a first end of each of which is connected to a combustion chamber of said engine. and whose second end opens into a cavity or plenum of an exhaust manifold integrated with the cylinder head, an outlet pipe is connected externally to a device for cleaning the exhaust gases of a vehicle exhaust line.
  • the exhaust devices comprise exhaust ducts formed in the cylinder head of the engine which coincide with collector ducts arranged opposite the exhaust ducts.
  • the collector comprises at least one outlet duct which is connected to an exhaust line of the motor vehicle.
  • the effectiveness of the depollution devices is highly dependent on their operating temperature.
  • the distance of these devices from the combustion chambers of the engine delays their rise in temperature during the first minutes of operation of the engine, and reduces their effectiveness. even though it is during these first minutes of operation of the engine that the largest amount of pollutants is emitted.
  • the document FR-2738289 describes in particular a manifold of this type, the exhaust ducts of the cylinder head open into a cavity or plenum, formed half in the collector and half in the cylinder head.
  • the invention proposes a device of the type described above comprising a collector integrated in the cylinder head of the engine and provided with thermal decoupling means with respect to said cylinder head.
  • the invention proposes a collector of the type described above, characterized in that the second ends of the exhaust ducts open into a receiving bore formed in the cylinder head which receives a tubular insert which is attached to the inside of the cylinder. the cylinder head to form the insert, which has orifices (34) for communication with the second ends of the exhaust ducts, and which has the outlet duct opening out of the cylinder head.
  • exhaust ducts 12 are arranged in the cylinder head 10.
  • a first end 14 of each duct 12 is connected to a combustion chamber 16 of the engine and the second end 18 of each duct 12 opens into a cavity 20 or plenum of an exhaust manifold 22 integrated with the cylinder head 10.
  • An outlet pipe 24 of the manifold 22 is connected externally to a device (not shown) for cleaning up the exhaust gases of an exhaust line (not shown ) of the vehicle.
  • the cylinder head 10 comprises between the combustion chamber 16 cavities 30 for circulating a coolant of the engine.
  • the cavity 20 or plenum of the collector 22 is formed in an element 26 which is attached to the interior of the cylinder head 10 and said element 26 is thermally decoupled from the cylinder head 10 via means 28 of FIG. thermal decoupling.
  • the second ends 18 of the exhaust ducts 12 open into a receiving bore 32 which is formed in the cylinder head 10.
  • This bore 32 which receives a tubular insert 26 forming the attached element 26 which is attached inside the cylinder head, which has orifices 34 for communication with the second ends 18 of the exhaust ducts 12, and which comprises the outlet duct 24 opening out of the cylinder head 10.
  • the tubular insert 26 is made of stainless steel, because this material has thermal expansion characteristics to ensure a satisfactory seal when connected to the depollution device, regardless of its temperature. It should be noted that this feature is not limiting of the invention, and that any other material with similar characteristics could be used for the proper implementation of the invention.
  • the tubular insert 26 is mounted without play in the bore 32 for receiving the cylinder head 10.
  • the tubular insert 26 is for example fitted into the bore 32 according to a type adjustment tight.
  • the thermal decoupling means 28 are arranged in the cylinder head around the tubular insert 26 and at least between two consecutive exhaust ducts 12.
  • the thermal decoupling means 28 comprise at least one cavity 28 which is formed in the material of the yoke 10 around the receiving bore 32, and which opens into said bore 32. This cavity is filled with air and thus allows a thermal decoupling of the insert 26 with respect to the cylinder head, avoiding that the heat of the cylinder head 10 is communicated to the insert 26 by conduction.
  • the device comprises a cavity 28 which is arranged around the receiving bore 32 between each pair of consecutive exhaust pipes 12, and a cavity 28 which is arranged around the receiving bore 32 between an end exhaust pipe 12 and an end outer face 36 of the cylinder head 10.
  • each cavity 28 is made during the molding of the cylinder head 10.
  • the invention therefore makes it possible to benefit from a device comprising a manifold 26 attached to the cylinder head 10 as close as possible to the combustion chambers 12, which makes it possible to optimize the performance of a depollution device connected to its outlet duct 24, and which is free from the drawbacks of the integrated collectors known from the state of the art due to its thermal decoupling with respect to the cylinder head 10.

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Description

  • L'invention concerne un dispositif d'échappement pour un moteur à combustion interne multicylindre d'un véhicule automobile comportant une culasse dudit moteur dans laquelle sont agencés des conduits d'échappement dont une première extrémité de chacun est reliée à une chambre de combustion dudit moteur et dont la seconde extrémité débouche dans une cavité ou plenum d'un collecteur d'échappement intégré à la culasse dont un conduit de sortie est relié extérieurement à un dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'une ligne d'échappement du véhicule.
  • On connaît de nombreux exemples de dispositifs de ce type.
  • Conventionnellement, les dispositifs d'échappement comportent des conduits d'échappement formés dans la culasse du moteur qui coïncident avec des conduits du collecteur agencés en regard des conduits d'échappement. Le collecteur comporte au moins un conduit de sortie qui est relié à une ligne d'échappement du véhicule automobile.
  • Dans le but de diminuer la teneur en produits polluants contenus dans les gaz de combustion, il est connu d'implanter dans la ligne d'échappement des dispositifs de dépollution, notamment des catalyseurs, qui permettent de convertir les produits polluants présents dans les gaz de combustion, notamment les hydrocarbures imbrûlés HC et les oxydes d'azote NOx.
  • Or, un problème se pose lors des phases de démarrage à froid du moteur.
  • En effet, l'efficacité des dispositifs de dépollution est fortement tributaire de leur température de fonctionnement. L'éloignement de ces dispositifs des chambres de combustion du moteur retarde leur montée en température pendant les premières minutes de fonctionnement du moteur, et réduit leur efficacité alors même que c'est pendant ces premières minutes de fonctionnement du moteur que la plus grande quantité de polluants est émise.
  • Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé de réaliser des collecteurs d'échappement qui sont partiellement ou totalement intégrés à la culasse du moteur, ce qui permet de réduire considérablement la distance entre les chambres de combustion et le dispositif de dépollution, qui est alors directement accolé à la culasse en sortie du collecteur.
  • Le document FR-2.738.289 décrit notamment un collecteur de ce type, dont les conduits d'échappement de la culasse débouchent dans une cavité ou plenum, formée pour moitié dans le collecteur et pour moitié dans la culasse.
  • Les documents AT-B-397.417 et DE-A-3.815.408 décrivent quant à aux un collecteur formé intégralement dans la culasse et venu de fonderie avec celle-ci.
  • Ces collecteurs connus de l'état de la technique posent toutefois de nombreux problèmes.
  • En effet, lorsqu'un collecteur de ce type n'est que partiellement formé dans la culasse, la distance entre les chambres de combustion et le dispositif de dépollution n'est pas réduite au minimum, et de ce fait l'efficacité du dispositif de dépollution n'est pas totale.
  • Par ailleurs, lorsque le collecteur est intégré à la culasse, il est soumis à des contraintes de températures élevées et se trouve donc, comme le matériau de la culasse, sujet à une importante dilatation au fur et à mesure de sa montée en température. De ce fait, il est pratiquement impossible d'accoupler un tel collecteur au reste de la ligne d'échappement si il n'est pas pourvu de cavités de refroidissement reliées aux cavités de circulation de liquide de refroidissement de la culasse.
  • Cette conception pénalise alors d'une part le rendement su moteur puisqu'elle est synonyme d'abaissement du rendement thermique du moteur du fait de la nécessité de refroidir le collecteur, et d'autre part réduit considérablement les bénéfices du rapprochement du collecteur et des chambres de combustion, le refroidissement du collecteur ne permettant alors plus sa montée rapide en température propre à améliorer l'efficacité du dispositif de dépollution.
  • Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose dispositif du type décrit précédemment comportant un collecteur intégré à la culasse du moteur et muni de moyens de découplage thermique par rapport à ladite culasse.
  • Dans ce but, l'invention propose un collecteur du type décrit précédemment, caractérisé en ce que les secondes extrémités des conduits d'échappement débouchent dans un alésage de réception formé dans la culasse qui reçoit un insert tubulaire qui est rapporté à l'intérieur de la culasse pour former l'élément rapporté, qui comporte des orifices (34) de communication avec les secondes extrémités des conduits d'échappement, et qui comporte le conduit de sortie débouchant à l'extérieur de la culasse.
  • Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
    • l'insert tubulaire est réalisé en acier inoxydable,
    • l'insert tubulaire est monté sans jeu dans l'alésage de réception de la culasse,
    • les moyens de découplage thermique sont agencés dans la culasse autour de l'insert tubulaire et au moins entre deux conduits d'échappement consécutifs,
    • les moyens de découplage thermique comportent au moins une cavité qui est formée dans le matériau de la culasse autour de l'alésage de réception et qui débouche dans ledit alésage,
    • le dispositif comporte une cavité qui est agencée autour de l'alésage de réception entre chaque paire de conduits d'échappement consécutifs, et une cavité qui est agencée autour de l'alésage de réception entre un conduit d'échappement d'extrémité et une face extérieure d'extrémité de la culasse,
    • chaque cavité est réalisée lors du moulage de la culasse.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel la figure unique est une vue schématique d'une culasse pour un dispositif d'échappement selon l'invention.
  • On a représenté sur la figure unique une culasse 10 pour un dispositif d'échappement réalisé selon l'invention.
  • De manière connue, des conduits d'échappement 12 sont agencés dans la culasse 10. Une première extrémité 14 de chaque conduit 12 est reliée à une chambre 16 de combustion du moteur et la seconde extrémité 18 de chaque conduit 12 débouche dans une cavité 20 ou plenum d'un collecteur 22 d'échappement intégré à la culasse 10. Un conduit 24 de sortie du collecteur 22 est relié extérieurement à un dispositif (non représenté) de dépollution des gaz d'échappement d'une ligne d'échappement (non représentée) du véhicule. La culasse 10 comporte entre chaque chambre de combustion 16 des cavités 30 de circulation d'un liquide de refroidissement du moteur.
  • Conformément à l'invention, la cavité 20 ou plenum du collecteur 22 est formée dans un élément 26 qui est rapporté à l'intérieur de la culasse 10 et ledit élément 26 est découplé thermiquement de la culasse 10 par l'intermédiaire de moyens 28 de découplage thermique.
  • Plus particulièrement, les secondes extrémités 18 des conduits 12 d'échappement débouchent dans un alésage 32 de réception qui est formé dans la culasse 10. Cet alésage 32 qui reçoit un insert tubulaire 26 formant l'élément 26 rapporté qui est rapporté à l'intérieur de la culasse, qui comporte des orifices 34 de communication avec les secondes extrémités 18 des conduits 12 d'échappement, et qui comporte le conduit 24 de sortie débouchant à l'extérieur de la culasse 10.
  • Dans le mode de réalisation, l'insert tubulaire 26 est réalisé en acier inoxydable, car ce matériau présente des caractéristiques de dilatation thermique propres à garantir une étanchéité satisfaisante lorsqu'il est raccordé à au dispositif de dépollution, quelle que soit sa température. Il conviendra de noter que cette caractéristique n'est pas limitative de l'invention, et que tout autre matériau présentant des caractéristiques analogues pourrait être employé pour la bonne mise en oeuvre de l'invention.
  • Dans le mode réalisation préféré de l'invention, l'insert tubulaire 26 est monté sans jeu dans l'alésage 32 de réception de la culasse 10. L'insert tubulaire 26 est par exemple emmanché dans l'alésage 32 suivant un ajustement de type serré.
  • Avantageusement, les moyens 28 de découplage thermique sont agencés dans la culasse autour de l'insert 26 tubulaire et au moins entre deux conduits 12 d'échappement consécutifs.
  • Plus particulièrement, les moyens 28 de découplage thermique comportent au moins une cavité 28 qui est formée dans le matériau de la culasse 10 autour de l'alésage 32 de réception, et qui débouche dans ledit alésage 32. Cette cavité est remplie d'air et permet donc un découplage thermique de l'insert 26 par rapport à la culasse, en évitant que la chaleur de la culasse 10 ne se communique à l'insert 26 par conduction.
  • De préférence, comme l'illustre la figure unique, le dispositif comporte une cavité 28 qui est agencée autour de l'alésage 32 de réception entre chaque paire de conduits 12 d'échappement consécutifs, et une cavité 28 qui est agencée autour de l'alésage 32 de réception entre un conduit 12 d'échappement d'extrémité et une face extérieure 36 d'extrémité de la culasse 10.
  • Tout procédé de réalisation peut être utilisé pour la bonne réalisation des cavités 28. Toutefois, dans le mode de réalisation préféré de l'invention chaque cavité 28 est réalisée lors du moulage de la culasse 10.
  • L'invention permet donc de bénéficier d'un dispositif comportant un collecteur 26 rapporté dans la culasse 10 au plus près des chambres de combustion 12, ce qui permet d'optimiser les performances d'un dispositif de dépollution relié à son conduit de sortie 24, et qui est exempt des inconvénients des collecteurs intégrés connus de l'état de la technique du fait de son découplage thermique vis-à-vis de la culasse 10.

Claims (7)

  1. Dispositif d'échappement pour moteur à combustion interne multicylindre d'un véhicule automobile comportant une culasse (10) dudit moteur dans laquelle sont agencés des conduits (12) d'échappement dont une première extrémité (14) de chacun est reliée à une chambre (16) de combustion dudit moteur et dont la seconde extrémité (18) débouche dans une cavité ou plenum (20) d'un collecteur d'échappement (22) intégré à la culasse (10) dont un conduit (24) de sortie est relié extérieurement à un dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'une ligne d'échappement du véhicule, du type dans lequel la cavité (20) ou plenum du collecteur (20) est formée dans un élément (26) rapporté à l'intérieur de la culasse (10) et ce que ledit élément (26) est découplé thermiquement de la culasse (10) par l'intermédiaire de moyens (28) de découplage thermique,
    caractérisé en ce que les secondes extrémités (18) des conduits d'échappement (12) débouchent dans un alésage (32) de réception formé dans la culasse (10) qui reçoit un insert (26) tubulaire qui est rapporté à l'intérieur de la culasse (10) pour former l'élément (26) rapporté, qui comporte des orifices (34) de communication avec les secondes extrémités (18) des conduits d'échappement (12), et qui comporte le conduit (24) de sortie débouchant à l'extérieur de la culasse (10).
  2. Dispositif d'échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'insert tubulaire (26) est réalisé en acier inoxydable.
  3. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'insert tubulaire (26) est monté sans jeu dans l'alésage (32) de réception de la culasse (10).
  4. Dispositif d'échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens (28) de découplage thermique sont agencés dans la culasse (10) autour de l'insert (26) tubulaire et au moins entre deux conduits (12) d'échappement consécutifs.
  5. Dispositif d'échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens (28) de découplage thermique comportent au moins une cavité (28) qui est formée dans le matériau de la culasse (10) autour de l'alésage (32) de réception et qui débouche dans ledit alésage (32).
  6. Dispositif d'échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité (28) qui est agencée autour de l'alésage (32) de réception entre chaque paire de conduits (12) d'échappement consécutifs, et une cavité (28) qui est agencée autour de l'alésage (32) de réception entre un conduit (12) d'échappement d'extrémité et une face extérieure (36) d'extrémité de la culasse (10).
  7. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque cavité (28) est réalisée lors du moulage de la culasse (10).
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