FR2545875A1 - Engine exhaust manifold with inlet nozzles - Google Patents

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FR2545875A1 FR8406466A FR8406466A FR2545875A1 FR 2545875 A1 FR2545875 A1 FR 2545875A1 FR 8406466 A FR8406466 A FR 8406466A FR 8406466 A FR8406466 A FR 8406466A FR 2545875 A1 FR2545875 A1 FR 2545875A1
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Abstract

The i.c. engine exhaust turbo-charger (3) comprises a conically diverging inlet housing (1) to the turbine (2), having an inner cone (5) secured in an outer cone (4) via ribs (6). The curved exhaust outlets from the individual cylinders connect to the exhaust manifold via nozzle-like constrictions or, in the case of two manifolds, these join via constrictions upstream of the housing (1). The planes of the ribs are inclined relative to the radial planes through the centre line from the inlet to the outlet end of the housing. The connections of the curved exhaust outlets may be laterally offset relative to the centre line of the manifold.

Description

SYSTEME DIECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
A TURBO-COMPRESSEUR
L'invention concerne un système d'échappement de moteur à combustion interne chargé par un turbo-compresseur comportant un carter d'entrée en avant d'une turbine du turbo-compresseur, un tuyau d'échappement avec des raccords tubulaires ou avec un système d'echappement divisé en éléments.EXHAUST SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
A TURBO-COMPRESSOR
The invention relates to an internal combustion engine exhaust system charged by a turbo-compressor comprising an inlet casing in front of a turbine of the turbo-compressor, an exhaust pipe with tubular connections or with a system of exhaust divided into elements.

Les systèmes d'échappement des moteurs à combustion interne à compresseur comprenant un grand nombre de cylindres sont de plus en plus souvent pourvus de transformateurs de pulsations de différents modèles de construction. Le rôle d'un transformateur de pulsation réside dans la transformation d'une partie de l'énergie de pression des gatte d'échappement, qui s'échappent des cylindres du moteur, en énergie cinétique dans une partie de la conduite tubulaire que lton a avantage à rétrécir, de sorte que l'amplitude de l'onde de pression est diminuée, et par suite, la possibilité d'un effet défavorable sur le balayage de nombreux autres cylindres du moteur est diminuée.On peut alors aussi raccorder, à une conduite tubulaire d'échappement qui est pourvue d'un transformateur de pulsation, les cylindres dont l'écart angulaire entre les allumages est plus petit que ne l'exige le "Büchi"-système de la charge d'impulsion. The exhaust systems of compressor internal combustion engines with a large number of cylinders are more and more often provided with pulse transformers of different construction models. The role of a pulsation transformer resides in the transformation of part of the pressure energy of the exhaust catches, which escape from the cylinders of the engine, into kinetic energy in a part of the tubular pipe which lton has advantage to shrink, so that the amplitude of the pressure wave is reduced, and as a result, the possibility of an unfavorable effect on the sweep of many other engine cylinders is reduced. tubular exhaust pipe which is provided with a pulsation transformer, the cylinders whose angular difference between the ignitions is smaller than required by the "Büchi" -pulse load system.

Par ce moyen, on peut éliminer du système de charge d'impulsion l'importante diminution du rendement de la turbine qui est provoquée par l'alimentation partielle de son rotor quand la distance angulaire de ltéchappement des cylindres qui sont raccordés à une section de la couronne fixe de la turbine, est importante. En comparaison avec la charge en équi-pression, on conserve, dans la charge par impulsion avec des transformations d'impulsion, une partie plus importante de l'énergie des gaz d'échappement sous la forme d'énergie mécanique utilisable avec une totale efficacité. Une partie de l'énergie cinétique peut être utilisée dans la période de rinçage pour la diminution de la pression dans la conduite tubulaire derrière la soupape d'échappement, et ainsi on peut aussi augmenter le débit de l'air de balayage.La transformation d'impulsion agit ici comme éjecteur travaillant d'une façon qui n'est pas fixe. L'amélioration du rendement de la turbine qui peut être diminué sous l'effet de l'alimentation partielle, et la meilleure utilisation de l'action d'éjection du courant de gaz d'échappement, assurent un mélange énergique des courants de gaz propulseur dans les branches d'alimentation de la conduite tubulaire d'échappement et des gaz poussés dans le tuyau d'échappement.By this means, it is possible to eliminate from the impulse load system the significant reduction in the efficiency of the turbine which is caused by the partial supply of its rotor when the angular distance of the exhaust of the cylinders which are connected to a section of the fixed crown of the turbine, is important. In comparison with the load at equi-pressure, a greater part of the energy of the exhaust gases is retained in the pulse charge with pulse transformations in the form of mechanical energy usable with total efficiency. . Part of the kinetic energy can be used in the flushing period to decrease the pressure in the tubular line behind the exhaust valve, and thus the purge air flow can also be increased. impulse acts here as an ejector working in a manner which is not fixed. The improvement in the efficiency of the turbine which can be reduced under the effect of partial supply, and the better use of the ejection action of the exhaust gas stream, ensure an energetic mixing of the propellant streams in the supply branches of the exhaust pipe and the gases pushed into the exhaust pipe.

On connait un système d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté qui est formé par un tuyau d'échappement, commun à plusieurs cylindres du moteur, dans lequel débouchent les raccords tubulaires qui relient les canaux d'échappament des têtes de cylindres avec le tuyau d'échappement. Les raccords tubulaires arrivent dans le tuyau d'échappement sous un angle aigü, et, au point d'embouchure, sont rétrécis en forme de buse. Les axes des raccords tubulaires et du tuyau d'échappement sont disposés de façon à se couper.Le profil transversal du tuyau d'échappement est établi de façon telle qu'il fournit à la turbine, par les gaz d'échappement la
plus grande partie possible de l'énergie cinétique du courant gazeux en laquelle a été transformée la partie de l'énergie de pression qui sort des cylindres du moteur lors de l'échappement. La très petite longueur de la section de mélange dutuyau d'échappement où sté- quilibrent les régimes de vitesses du courant de gaz qui sort des buses des raccords tubulaires et du courant qui se forme dans le tuyau d'échappement, estdéterminée par la distance qui existe entre le turbo-compresseur et le premier cylindre du moteur, ou par la division des cylindres.L'inconvénient de ce système d'échappement réside en ce que la section de mélange est relativement courte et ne suffit pas pour permettre un mélange satisfaisant des courants de gaz propulseur des raccords tubulaires et du courant poussé dans le tuyau d'échappement, mélange qui est nécessaire pour qu'il soit tiré un parti maximum de l'effet d'éjection du courant de gaz avant la turbine
On connait aussi un système d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté, constitué de plusieurs branches des conduits du tuyau d'échappement, qui sont reliées dans un transformateur de pulsation qui débouche dans une chambre de mélange sur laquelle sont raccordées les entrées dans les turbines du turbo-compresseur.There is known an exhaust system of a supercharged internal combustion engine which is formed by an exhaust pipe, common to several engine cylinders, into which the tubular connections open which connect the exhaust channels of the cylinder heads with the exhaust pipe. The tubular connections arrive in the exhaust pipe at an acute angle, and, at the point of mouth, are narrowed into a nozzle shape. The axes of the tubular connections and the exhaust pipe are arranged so as to intersect.The transverse profile of the exhaust pipe is established in such a way that it supplies the turbine with the exhaust gases.
greatest possible part of the kinetic energy of the gas stream into which the part of the pressure energy which leaves the engine cylinders during the exhaust has been transformed. The very short length of the mixing section of the exhaust pipe where the speed regimes of the gas stream coming out of the nozzles of the pipe fittings and of the current that forms in the exhaust pipe are balanced, is determined by the distance which exists between the turbo-compressor and the first cylinder of the engine, or by the division of the cylinders. The disadvantage of this exhaust system is that the mixing section is relatively short and is not sufficient to allow satisfactory mixing of the propellant gas streams from the pipe fittings and the pushed current in the exhaust pipe, a mixture which is necessary in order to obtain maximum benefit from the ejection effect of the gas stream before the turbine
There is also known an exhaust system of a supercharged internal combustion engine, consisting of several branches of the exhaust pipe conduits, which are connected in a pulsation transformer which opens into a mixing chamber to which the inlets are connected. in the turbines of the turbo-compressor.

L'inconvénient de ce système d'échappement réside en ce que la section de mélange du transformateur de pulsation est trop courte et que son remplacement par la chambre de mélange, dnnt le diamètre est plus grand, avant entrée de la turbine provoque d'importantes pertes de l'énergie cinétique des gaz d'échappement.The disadvantage of this exhaust system is that the mixing section of the pulsation transformer is too short and that its replacement by the mixing chamber, dnnt the diameter is larger, before entry of the turbine causes significant loss of kinetic energy from exhaust gases.

Le système suivant l'invention écarte les inconvénients mentionnés cidessus du système d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté par un turbo-compresseur; l'idée qui est à sa base est que les extrémités de contact sont déjetées, par rapport à la direction du courant gazeux, sur l'axe de la turbine, vers la ligne de jonction des centres de gravité des sections des nervures du carter d'entrée, dans des plans perpendiculaires à l'axe de la turbine qui passent dans la section d'entrée ou de sortie des nervures. The system according to the invention overcomes the drawbacks mentioned above of the exhaust system of an internal combustion engine supercharged by a turbo-compressor; the idea which is at its base is that the contact ends are deflected, relative to the direction of the gas stream, on the axis of the turbine, towards the junction line of the centers of gravity of the sections of the ribs of the casing d 'entry, in planes perpendicular to the axis of the turbine which pass in the entry or exit section of the ribs.

L'extrémité de contact est déjetée sur l'axe du tuyau d'échappement, vers la ligne de jonction des centres de gravité des plus petites sections des raccords tubulaires, à l'endroit de l'embouchure dans le tuyau d'échappement, ou à l'endroit où la section du raccord tubulaire est la plus étroite. The contact end is lodged on the axis of the exhaust pipe, towards the junction line of the centers of gravity of the smallest sections of the tubular connections, at the point of the mouth in the exhaust pipe, or where the cross-section of the tubing is the narrowest.

La plaque mise en place au point de jonction des branches du tuyau d'échappement formé d'éléments, comporte au moins deux bras. Chacun de ses bras est dévié de la ligne de jonction des deux branches, voisines adjacentes du tuyau d'échappement constitué d'éléments, sur un angle i dans les limites de 15 à 750
Grecs à la disposition des raccords tubulaires du tuyau d'échappement dont les axes sont déjetés par rapport à l'axe du tuyau d'échappement, ou par la disposition de la plaque mise en oeuvre au point de jonction des branches des conduits d'échappement dont chacun des bras est dévié par rapport à la ligne de jonction des axes de deux branches voisines adjacentes, il est obtenu un mouvement de rotation du courant de gaz d'échappement qui prolonge sensiblement le parcours sur lequel les gaz se mélangent.The plate placed at the junction point of the branches of the exhaust pipe formed of elements, comprises at least two arms. Each of its arms is deflected from the junction line of the two adjacent branches of the exhaust pipe made up of elements, at an angle i within the limits of 15 to 750
Greeks at the disposal of the tubular fittings of the exhaust pipe whose axes are offset relative to the axis of the exhaust pipe, or by the arrangement of the plate used at the junction point of the branches of the exhaust ducts each of the arms of which is deflected with respect to the junction line of the axes of two adjacent adjacent branches, there is obtained a rotational movement of the exhaust gas stream which substantially extends the path over which the gases mix.

Les nervures du carter d'entrée de la turbine, qui sont réalisées de façon telle que les lignes de jonction des centres de gravité des sections des nervures sont déjetées par rapport à l'axe de la turbine, permettent de tirer parti du mouvement de rotation des gaz dans la turbine, ce qui limite les pertes d'énergie cinétique qui se produisent dans le cas contraire.The ribs of the turbine inlet casing, which are produced in such a way that the junction lines of the centers of gravity of the sections of the ribs are offset relative to the axis of the turbine, make it possible to take advantage of the rotational movement gases in the turbine, which limits the kinetic energy losses which occur otherwise.

Un exemple de réalisation du système d'échappement suivant l'invention d'un moteur à combustion interne pourvu d'un turbo-compresseur sont représentés dans les dessins annexés, où:
- la figure 1 représente une coupe longitudinale et une coupe transversale dl carter d'entrée en avant de la turbine du turbocompresseur;
- la figure 2 montre une vue en projection du tuyau d'échappement avec les raccords tubulaires et avec le carter d'entrée;
- la figure 3 est une coupe longitudinale et une coupe transversale du tuyau d'échappement à l'endroit du raccordement des raccords tubulaires;
- la figure 4 montre une coupe transversale et une coupe longitudinale du tuyau d'échappement comportant deux branches, avec la plaque à deux bras mise en place et avec le carter d'entrée;;
- la figure 5 est une coupe transversale du tuyau d'échappement comportant trois branches, et avec une plaque à trois bras mise en place; et,
- la figure 6 est une coupe transversale d'un tuyau d'échappement quatre branches, avec une plaque à quatre bras mise en place.An exemplary embodiment of the exhaust system according to the invention of an internal combustion engine provided with a turbo-compressor are shown in the accompanying drawings, where:
- Figure 1 shows a longitudinal section and a cross section dl inlet casing in front of the turbine of the turbocharger;
- Figure 2 shows a projection view of the exhaust pipe with the tubular connections and with the inlet housing;
- Figure 3 is a longitudinal section and a cross section of the exhaust pipe at the point of connection of the tubular connections;
- Figure 4 shows a cross section and a longitudinal section of the exhaust pipe having two branches, with the plate with two arms in place and with the inlet housing;
- Figure 5 is a cross section of the exhaust pipe having three branches, and with a plate with three arms in place; and,
- Figure 6 is a cross section of a four-branch exhaust pipe, with a four-arm plate in place.

Le carter d'entrée 1 placé en avant de la turbine 2 du turbo-compresseur 3 suivant la figure 1 est formé par une enveloppe 4 en forme de tronc de cane, qui s'élargit dans la direction de la turbine 2, et d'un cône concentrique , qui est fixé à ltenveloppe 4 par des nervures radiales 5. Les nervures 5 sont disposées dans le carter d'entrée 1 de façon telle que les extrémités de contact sont déjetées par rapport à l'axe de la turbine 2, si l'on tient compte de la direction du courant de gaz, vers la ligne de jonction des centres de gravité des sections des nervures 6, sur les plans perpendiculaires à l'axe de la turbine 2 qui passent dans les sections d'entrée et de sortie de la nervure 6.Le carter d'entrée 1 est raccordé, suivant -la figure 2, par son plus petit diamètre au tuyau d'échappement 7 qui est commun à plusieurs cylindres du moteur à combustion interne. Le tuyau d'échappement 7 est relié aux têtes de cylindres 9, au moyen des raccords tubulaires 10.Le rétrécissement en forme de buse du raccord tubulaire 10 à lten- droit de son embouchure dans le tuyau d'échappement 7 est visible d'après la coupe longitudinale du côté gauche de la figure 3. L'embouchure du raccord tubulaire 10 dans le tuyau d'échappement 7 est réalisée de façon telle que l'extrémité de contact est déjetée par rapport à l'axe du tuyau d'échappement 7, vers la ligne de jonction des centres de gravité des plus petites sections des raccords tubulaires 10, à l'endroit de ltemboucFure dans le tuyau d'échappement 7, ou à l'emplacement de la section la plus étroite du raccord tubulaire 10. La distance a qui sépare l'extrémité de contact du raccord tubulaire 10 de l'axe du tuyau d'échappement 7 est plus grande que 0,05 fois et plus petite que 0,5 fois le diamètre intérieur du tuyau d'échappement 7. The inlet casing 1 placed in front of the turbine 2 of the turbo-compressor 3 according to FIG. 1 is formed by an envelope 4 in the form of a trunk of cane, which widens in the direction of the turbine 2, and a concentric cone, which is fixed to the envelope 4 by radial ribs 5. The ribs 5 are arranged in the inlet casing 1 in such a way that the contact ends are released relative to the axis of the turbine 2, if the direction of the gas flow is taken into account, towards the junction line of the centers of gravity of the sections of the ribs 6, on the planes perpendicular to the axis of the turbine 2 which pass through the inlet and outlet of the rib 6. The inlet casing 1 is connected, according to FIG. 2, by its smaller diameter to the exhaust pipe 7 which is common to several cylinders of the internal combustion engine. The exhaust pipe 7 is connected to the cylinder heads 9, by means of the tubular connections 10. The nozzle-shaped narrowing of the tubular connection 10 right of its mouth in the exhaust pipe 7 is visible from the longitudinal section on the left side of FIG. 3. The mouth of the tubular connection 10 in the exhaust pipe 7 is made in such a way that the contact end is released relative to the axis of the exhaust pipe 7 , towards the junction line of the centers of gravity of the smallest sections of the tubular connections 10, at the location of the nozzle in the exhaust pipe 7, or at the location of the narrowest section of the tubular connection 10. The distance a which separates the contact end of the tubular connector 10 from the axis of the exhaust pipe 7 is greater than 0.05 times and less than 0.5 times the internal diameter of the exhaust pipe 7.

Dans la variante de réalis- tion que montre la figure 4, le carter d'entrée 1 est raccordé par son petit diamètre au tuyau d'échappement Il divisé en éléments, et qui est formé d'une branche supérieure 12 et d'une branche inférieure 13. Au point de jonction de ces deux branches 12 et 13, le tuyau d'échappement 11, divisé en éléments, est rétréci en forme de buse par la plaque 14 incorporée.De la coupe transversale de la figure 4, il ressort que la plaque 14 à deux bras ainsi insérés a dévié les deux bras de la ligne de jonction des axes de la branche supérieure 12 et de la branche inférieure 13 d'un angle i qui se situe dans les limites de 15 à 750
Dans la seconde variante suivant la figure 5, le tuyau d'échappement 11 divisé en éléments est réalisé sous la forme d'un branchement triple 15. Au point de jonction de ce branchement triple 15, le tuyau d'échappement 11, divisée éléments, est rétréci en forme de buse par l'insertion d'une plaque à trois bras 16, les bras de la plaque 16 ainsi insérée étant déviés de la ligne de jonction des axes de deux branches voisines adjacentes du branchement triple 15 d'un angle i situé dans les limites de 15 à 790. In the variant embodiment shown in FIG. 4, the inlet casing 1 is connected by its small diameter to the exhaust pipe II divided into elements, which is formed by an upper branch 12 and a branch lower 13. At the junction of these two branches 12 and 13, the exhaust pipe 11, divided into elements, is narrowed in the form of a nozzle by the incorporated plate 14. From the cross section of Figure 4, it appears that the plate 14 with two arms thus inserted deflected the two arms of the junction line of the axes of the upper branch 12 and the lower branch 13 by an angle i which is within the limits of 15 to 750
In the second variant according to FIG. 5, the exhaust pipe 11 divided into elements is produced in the form of a triple connection 15. At the junction of this triple connection 15, the exhaust pipe 11, divided elements, is narrowed in the form of a nozzle by the insertion of a plate with three arms 16, the arms of the plate 16 thus inserted being deviated from the junction line of the axes of two adjacent adjacent branches of the triple branch 15 by an angle i located within the limits of 15 to 790.

Dans la troisième variante suivant la figure 6, le tuyau d'échappement 11 divisé en éléments est réalisé sous la forme d'un branchement à quatre branches 17. Au point de jonction de ce branchement quadruple 17, le tuyau d'échappement 11 divisé en éléments est rétréci en forme de buse par linser- tion d'une plaque à quatre bras 18, les bras de cette plaque 18 ainsi insérée étant dévies de la ligne de jonction des axes de deux branches voisines adjacentes du branchement quadruple 17 sur un anglets qui se situe dans les limites de 15 à 750  In the third variant according to FIG. 6, the exhaust pipe 11 divided into elements is produced in the form of a connection with four branches 17. At the junction of this quadruple connection 17, the exhaust pipe 11 divided into elements is narrowed in the form of a nozzle by inserting a plate with four arms 18, the arms of this plate 18 thus inserted being deflected from the junction line of the axes of two adjacent adjacent branches of the quadruple branch 17 on an anglet which is within the limits of 15 to 750

Claims (3)

REVENDICATIONS 1- Système d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté par un turbo-compresseur, constitué d'un carter d'entrée monté en avant d'une turbine sous la forme d'un tronc de cône comportant un cône intérieur, qui est fixé au moyen de nervures radiales et qui s'élargit dans la direction de la turbine du turbo-compresseur, constitué aussi d'un tuyau d'échappement avec des raccords tubulaires pour les différents cylindres qui sont rétrécis en forme de buses dans la direction du tuyau d'échappement, ou d'un tuyau d'échappement divisé en éléments qui est formé d'au moins de deux branches, qui sont rétrécies, en forme de buses, au point de jonction, au moyen de l'insertion d'une plaque, système d'échappement caractérisé en ce que les extrémités de contact sont déjetées, par rapport à la direction du courant gazeux, sur l'axe de la turbine (2), vers la ligne de jonction des centres de gravité des sections des nervures (6) du carter d'entrée (1), dans des plans perpendiculaires à l'axe de la turbine (2) qui passent dans la section d'entrée ou de sortie des nervures (6). 1- Exhaust system of an internal combustion engine supercharged by a turbo-compressor, consisting of an inlet casing mounted in front of a turbine in the form of a truncated cone comprising an internal cone, which is fixed by means of radial ribs and which widens in the direction of the turbine of the turbo-compressor, also consists of an exhaust pipe with tubular connections for the different cylinders which are narrowed in the form of nozzles in the direction of the exhaust pipe, or of an exhaust pipe divided into elements which is formed by at least two branches, which are narrowed, in the form of nozzles, at the junction point, by means of the insertion of a plate, exhaust system characterized in that the contact ends are deflected, relative to the direction of the gas flow, on the axis of the turbine (2), towards the junction line of the centers of gravity of the sections of the ribs (6) of the inlet housing (1), in planes perpendicular to the fixed to the turbine (2) which pass through the inlet or outlet section of the ribs (6). 2- Système d'échappement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité de contact est déjetée sur l'axe du tuyau d'échappement (7), vers la ligne de jonction des centres de gravité des plus petites sections des raccords tubulaires (10), à l'endroit de l'embouchure dans le tuyau d'échappement (7), ou à l'endroit où la section du raccord tubulaire (10) est la plus étroite, la distance (a) qui sépare les extrémités de contact des raccords tubulaires (10) et l'axe du tuyau d'échappement (7) étant supérieure à 0,05 et inférieure à 0,5 fois le diamètre intérieur du tuyau d'échappement (7).  2- exhaust system according to claim 1, characterized in that the contact end is discharged on the axis of the exhaust pipe (7), towards the junction line of the centers of gravity of the smallest sections of the fittings tubular (10), at the point of the mouth in the exhaust pipe (7), or where the section of the tubular connector (10) is the narrowest, the distance (a) between the contact ends of the tubular connections (10) and the axis of the exhaust pipe (7) being greater than 0.05 and less than 0.5 times the internal diameter of the exhaust pipe (7). 3- Système d'échappement suivant la revendicationl, caractérisé en ce que la plaque (14), insérée au point de jonction des branches (12, 13) du tuyau d'échappement (11) divisé en éléments, comporte au moins deux bras, chacun de ses bras étant dévié de la ligne de jonction de deux branches voisines adjacentes (12, 13) du tuyau d'échappement (10) divisé en éléments, sur un angle (G) se situant dans les lutes de 15 à 750.  3- exhaust system according to claiml, characterized in that the plate (14), inserted at the junction point of the branches (12, 13) of the exhaust pipe (11) divided into elements, comprises at least two arms, each of its arms being deflected from the junction line of two adjacent adjacent branches (12, 13) of the exhaust pipe (10) divided into elements, at an angle (G) lying in the lutes from 15 to 750.
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