FR2892981A1 - Exhaust device for e.g. spark ignition engine, has exhaust gas treating assembly arranged between cylinder head and turbine whose inlet is connected to outlet of assembly, where assembly has gas post-treatment system and particle filter - Google Patents

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Abstract

The device has a cylinder head (3), a turbine of a turbocharger (5) and an exhaust gas treating assembly (4). The assembly is arranged between the cylinder head and the turbine whose inlet (13) is connected to an outlet of the assembly. The assembly has a gas post-treatment system and a particle filter (9). A high pressure turbine is interposed between outlet of the cylinder head and the inlet of the treating assembly.

Description

Dispositif d'échappement de moteur et moteur La présente invention relèveEngine exhaust system and engine The present invention

du domaine des dispositifs d'échappement de moteur à combustion interne de type diesel ou à allumage commandé et de tels moteurs. L'invention concerne plus particulièrement les moteurs suralimentés par turbocompresseur équipés d'un système de post-traitement des émissions de polluants et notamment des émissions de suie ainsi que l'alimentation de la turbine en gaz brûlés.  the field of diesel engine or spark ignition internal combustion engine exhaust systems and such engines. The invention relates more particularly turbocharged turbocharged engines equipped with a system for post-treatment of pollutant emissions including soot emissions and the supply of the turbine burnt gas.

Afin de respecter les normes environnementales internationales, la maîtrise des émissions de composés hydrocarbonés, de monoxydes de carbone, d'oxydes d'azote et de particules est indispensable. Le traitement des particules issues des moteurs diesel est possible grâce à l'introduction dans la ligne d'échappement de ces moteurs d'un filtre à particules conçu pour piéger les particules de suie contenues dans les gaz d'échappement au cours de leur écoulement dans la ligne d'échappement. Les filtres à particules rendent nécessaire une phase de combustion des particules, également appelée phase de régénération, pour éviter un encrassement dommageable pour le moteur et pour le fonctionnement du véhicule et produisant un colmatage progressif. Il a été envisagé d'ajouter un composé de type organométallique dans le carburant pour réduire la température de combustion des particules et favoriser le phénomène de combustion dans le lit de suie du fait de la présence de cet additif dans la composition de chaque particule formée dans la chambre de combustion. Pour adapter ce concept aux conditions de température rencontrées sur les moteurs fonctionnant en mélange pauvre, notamment sur les moteurs diesel, l'additivation du carburant doit être couplée à une stratégie de post-injections de carburant dans les cylindres pour créer un processus exothermique en amont du filtre à particules grâce à l'ajout d'un catalyseur d'oxydation. La présence de l'additif organométallique dans la structure des suies et des additifs présents dans l'huile de lubrification du moteur amènent une production de cendres d'où une maintenance régulière et une surconsommation de carburant du fait de la post-injection pour atteindre les conditions de combustion des particules de suie. Il a également été envisagé un chauffage électrique du filtre à particules par introduction de résistances électriques à l'intérieur du filtre. Ceci provoque une consommation d'énergie électrique supplémentaire et donc également une consommation de carburant supplémentaire. Il est également possible d'imprégner les parois du filtre à particules avec un catalyseur d'oxydation permettant d'abaisser la température de combustion des suies et d'assurer un nettoyage des parois du filtre en continu. Toutefois, il s'avère que la régénération du filtre est seulement partielle du fait de la difficulté à propager la combustion au sein du lit de suie. Il est également nécessaire de chauffer les gaz pour provoquer une combustion avant d'avoir atteint une masse limite en suies dommageable pour le système filtrant et le moteur.  In order to comply with international environmental standards, the control of emissions of hydrocarbon compounds, carbon monoxide, nitrogen oxides and particles is essential. The treatment of particles from diesel engines is possible by introducing into the exhaust line of these engines a particulate filter designed to trap the soot particles contained in the exhaust gases during their flow into the engine. the exhaust line. Particle filters require a particle combustion phase, also known as the regeneration phase, to prevent fouling that is harmful to the engine and to the operation of the vehicle and produces progressive clogging. It has been envisaged to add an organometallic compound in the fuel to reduce the combustion temperature of the particles and promote the combustion phenomenon in the soot bed due to the presence of this additive in the composition of each particle formed in the combustion chamber. To adapt this concept to the temperature conditions encountered on lean burn engines, particularly on diesel engines, the fuel additivation must be coupled with a strategy of post-fuel injection into the cylinders to create an exothermic process upstream. of the particulate filter through the addition of an oxidation catalyst. The presence of the organometallic additive in the structure of the soot and additives present in the lubricating oil of the engine leads to a production of ash resulting in regular maintenance and overconsumption of fuel due to the post-injection to reach the combustion conditions of the soot particles. It has also been envisaged an electric heating of the particulate filter by introduction of electrical resistances inside the filter. This causes additional power consumption and therefore also additional fuel consumption. It is also possible to impregnate the walls of the particulate filter with an oxidation catalyst which makes it possible to lower the soot combustion temperature and to ensure cleaning of the walls of the filter continuously. However, it turns out that the regeneration of the filter is only partial because of the difficulty to propagate the combustion within the soot bed. It is also necessary to heat the gases to cause combustion before reaching a soot mass limit harmful to the filter system and the engine.

Le document US 2004/55 287 (Isuzu Motors) décrit un système de purification des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne équipé d'un filtre à particules disposé en aval d'une turbine de turbocompresseur. Il est prévu un système de filtre à particules à régénération continue au moyen d'un catalyseur disposé dans le filtre.  Document US 2004/55287 (Isuzu Motors) describes a system for purifying the exhaust gases of an internal combustion engine equipped with a particulate filter disposed downstream of a turbocharger turbine. A continuously regenerating particulate filter system is provided by means of a catalyst disposed in the filter.

Ainsi, le filtre à particules et le pot catalytique sont placés en aval de la turbine et ne bénéficient donc pas de conditions aux températures suffisantes pour assurer la régénération de manière continue. Il est alors nécessaire de recourir à des phases d'injections supplémentaires de carburant pour brûler les particules dans le filtre à particules, ce qui est coûteux en termes de consommation du moteur. En outre, les forts dégagements d'énergie libérée pendant les phases où le carburant est injecté dans le filtre à particules et le pot catalytique provoquent de forts gradients de température susceptibles d'endommager la structure du filtre à particules et de nuire à sa fiabilité. Le document US 4 641 496 (Ford Motors) décrit un filtre à particules pourvu d'un système de régénération continue rotatif. Un tel système équipé de moteur et d'engrenages est encombrant, coûteux et sujet à des pannes. Le document EP-A-O 997 616 (Minnesota Mining and Manufacturing Company) décrit un procédé de régénération de filtre au moyen d'un élément chauffant disposé en amont du filtre à particules pour augmenter la température des gaz et assurer une régénération continue. En outre, un additif est incorporé au carburant, aux gaz d'admission ou aux gaz d'échappement. Le chauffage électrique provoque une surconsommation d'énergie provenant du moteur thermique par l'intermédiaire d'une génératrice électrique.  Thus, the particulate filter and the catalytic converter are placed downstream of the turbine and therefore do not benefit from conditions at temperatures sufficient to ensure regeneration in a continuous manner. It is then necessary to use additional fuel injection phases to burn the particles in the particulate filter, which is expensive in terms of engine consumption. In addition, the strong releases of energy released during the phases where the fuel is injected into the particulate filter and the catalytic converter cause strong temperature gradients that can damage the structure of the particulate filter and adversely affect its reliability. US 4,641,496 (Ford Motors) discloses a particle filter provided with a continuous rotary regeneration system. Such a system equipped with motor and gears is bulky, expensive and subject to breakdowns. EP-A-0 997 616 (Minnesota Mining and Manufacturing Company) discloses a method of filter regeneration by means of a heating element arranged upstream of the particulate filter to increase the temperature of the gases and ensure a continuous regeneration. In addition, an additive is incorporated in the fuel, the intake gas or the exhaust gas. The electric heating causes an overconsumption of energy from the engine by means of an electric generator.

Le document FR 2 855 218 (Renault) décrit un système de gestion de la régénération d'un filtre à particules comprenant un moyen de répartition de carburant entre une première injection de carburant et une injection principale de carburant en fonction de la température de combustion des particules du filtre à particules ou de la température en amont d'une turbine. Le besoin est néanmoins apparu de réduire encore la consommation de carburant et de simplifier la gestion de la régénération. L'invention vise à remédier aux inconvénients évoqués ci- dessus. L'invention propose un dispositif d'échappement de moteur particulièrement compact, économique et assurant une régénération continue ou quasi continue du filtre à particules et ce de manière fiable.  Document FR 2 855 218 (Renault) describes a management system for the regeneration of a particulate filter comprising a means of distributing fuel between a first fuel injection and a main fuel injection as a function of the combustion temperature of the fuel. particle filter particles or temperature upstream of a turbine. However, the need has appeared to further reduce fuel consumption and simplify regeneration management. The invention aims to remedy the disadvantages mentioned above. The invention proposes a particularly compact, economical engine exhaust device which ensures a continuous or almost continuous regeneration of the particulate filter and this in a reliable manner.

Le dispositif d'échappement de moteur suralimenté comprend une culasse, une turbine de turbocompresseur et un ensemble de traitement de gaz d'échappement. L'ensemble de traitement est disposé entre la culasse et la turbine. L'entrée de la turbine est reliée à la sortie de l'ensemble de traitement.  The supercharged engine exhaust system includes a cylinder head, a turbocharger turbine, and an exhaust gas treatment assembly. The treatment unit is disposed between the cylinder head and the turbine. The inlet of the turbine is connected to the output of the treatment unit.

Ainsi, l'ensemble de traitement, notamment un filtre à particules, reçoit les gaz chauds provenant directement de la culasse. L'ensemble de traitement est donc soumis de façon quasi permanente à une température élevée suffisante pour assurer la combustion des suies. Comme les suies sont brûlées quasiment en continu, leur accumulation dans l'ensemble de traitement est très réduite et le dimensionnement de l'ensemble de traitement, notamment son encombrement, peut être diminué. La régénération est généralement considérée comme continue à partir de températures comprises entre 550 et 600 C. Le niveau de température et la proportion d'oxygène présents dans les gaz d'échappement sont alors suffisants pour assurer la combustion des particules de suie piégées dans l'ensemble de traitement. L'invention permet des conditions de température encore plus élevées à des niveaux de charge du moteur et à des régimes moteur plus faibles, d'où une régénération quasi continue de l'ensemble de traitement sur un très grand nombre de points de fonctionnement du moteur. Cette régénération continue de l'ensemble de traitement permet d'éviter en partie ou en totalité l'utilisation d'artifices de réchauffage tels qu'un chauffage électrique ou par post-injections de carburant, toutes deux pénalisantes pour la consommation du moteur. Du fait de la régénération quasi continue de l'ensemble de traitement, la perte de charge générée par ledit ensemble de traitement pendant les phases de chargement en suie est supprimée, ce qui améliore les performances du moteur et diminue les contraintes thermiques à haut régime et à pleine charge du fait de l'amélioration du rendement du moteur. Il n'est plus indispensable d'injecter du carburant pour régénérer un ensemble de traitement, où en tout état de cause, des quantités nettement plus faibles peuvent être injectées. Les risques de fissuration du filtre à particules et/ou du catalyseur d'oxydation dues au forts gradients thermiques pendant les phases de post-injection de carburant sont considérablement réduits grâce à la réduction du nombre de post-injections réalisées et à l'écart de température plus faible existant entre la post-injection et le fonctionnement normal du filtre. Le filtre à particules et le catalyseur d'oxydation peuvent être réalisés à partir de matériaux moins résistants aux chocs thermiques et par conséquent moins coûteux.  Thus, the treatment unit, in particular a particulate filter, receives the hot gases coming directly from the cylinder head. The treatment unit is thus subjected almost permanently to a high temperature sufficient to ensure the combustion of soot. As the soot is burned almost continuously, their accumulation in the treatment unit is very small and the size of the treatment assembly, including its size, can be reduced. The regeneration is generally considered as continuous from temperatures of between 550 and 600 C. The temperature level and the proportion of oxygen present in the exhaust gases are then sufficient to ensure the combustion of soot particles trapped in the reactor. treatment set. The invention allows even higher temperature conditions at engine load levels and lower engine speeds, resulting in near-continuous regeneration of the processing unit over a very large number of engine operating points. . This continuous regeneration of the treatment unit avoids all or part of the use of heating devices such as electric heating or by fuel injections, both penalizing the consumption of the engine. Due to the almost continuous regeneration of the treatment unit, the pressure drop generated by said treatment unit during the soot loading phases is eliminated, which improves the engine performance and decreases the thermal stresses at high speed and at full load due to improved engine performance. It is no longer necessary to inject fuel to regenerate a set of treatment, where in any case, much smaller amounts can be injected. The risk of cracking of the particulate filter and / or the oxidation catalyst due to the high thermal gradients during the post-fuel injection phases is considerably reduced by reducing the number of post-injections carried out and away from lower temperature between post-injection and normal operation of the filter. The particulate filter and the oxidation catalyst can be made from materials that are less resistant to thermal shock and therefore less expensive.

Les conditions de température élevée permettent un excellent amorçage du catalyseur notamment pendant les phases de démarrage à froid du moteur. Il en résulte un meilleur fonctionnement du catalyseur et une meilleure dépollution au démarrage. Les conditions de fonctionnement à température plus élevée, notamment par rapport à une architecture classique avec filtre à particules et catalyseur d'oxydation monté en aval de la turbine permet une réduction du chargement du catalyseur d'oxydation en métaux précieux, par exemple platine, palladium, rhodium... nécessaires pour réaliser l'oxydation du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde d'azote. Les conditions de fonctionnement à température très élevée améliorent l'efficacité de la conversion du monoxyde d'azote en dioxyde d'azote. Le dioxyde d'azote est ensuite le principal oxydant des particules de suie entre 300 et 400 C. L'invention favorise ce processus pour les basses températures et facilite ainsi la régénération en continu. Bien que séparée de la culasse par l'ensemble de traitement, la turbine est alimentée en gaz d'échappement dans des conditions favorables pour le fonctionnement en transitoire et pour le couple à bas régime en raison des faibles dimensions du filtre à particules et de la possible absence de collecteur d'échappement. Le filtre à particules et le catalyseur d'oxydation disposés en amont de la turbine ne génèrent pas de contre-pression habituellement rencontrée sur ce type de moteur. Cela s'avère favorable pour le fonctionnement du turbocompresseur et pour le fonctionnement du moteur à pleine charge et à haut régime, par exemple environ 4000 tours/minute pour un moteur diesel. La compacité du filtre à particules qui permet un montage proche de la culasse et de la turbine permet une réduction des pertes de charge à l'échappement, donc des pertes par pompage du moteur et par suite une diminution de la consommation spécifique du moteur à forte charge et haut régime. La régénération étant continue, il n'est plus nécessaire de disposer de systèmes de gestion de la régénération, coûteux, complexes à mettre au point et difficiles à piloter par le système de contrôle du moteur. Du fait de la suppression totale ou partielle du collecteur d'échappement, l'ensemble de l'échappement gagne en compacité et peut être plus aisément implanté dans le compartiment moteur d'un véhicule. Avantageusement, l'ensemble de traitement comprend un système de post-traitement des gaz d'échappement, par exemple un pot catalytique et un filtre à particules. Dans un mode de réalisation, l'entrée de l'ensemble de traitement présente une forme biconique. Dans un autre mode de réalisation, l'entrée de l'ensemble de traitement présente une forme conique. La forme conique peut être divergente dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. Dans un mode de réalisation, l'entrée de l'ensemble de traitement est reliée à la sortie de la culasse. On évite ainsi les pertes de charge entre l'ensemble de traitement et la culasse. Dans un mode de réalisation, une turbine haute pression et une turbine basse pression sont montées en aval de l'ensemble de traitement.  The high temperature conditions allow an excellent catalyst priming especially during the cold start phases of the engine. This results in a better operation of the catalyst and a better depollution at startup. The operating conditions at a higher temperature, especially compared to a conventional architecture with particulate filter and oxidation catalyst mounted downstream of the turbine allows a reduction in the loading of the oxidation catalyst into precious metals, for example platinum, palladium , rhodium ... necessary for the oxidation of carbon monoxide, unburned hydrocarbons and nitric oxide. The very high temperature operating conditions improve the efficiency of the conversion of nitric oxide to nitrogen dioxide. Nitrogen dioxide is then the main oxidant of soot particles between 300 and 400 C. The invention promotes this process for low temperatures and thus facilitates continuous regeneration. Although separated from the cylinder head by the treatment unit, the turbine is supplied with exhaust gas under favorable conditions for transient operation and for low-end torque because of the small size of the particulate filter and the possible absence of exhaust manifold. The particle filter and the oxidation catalyst arranged upstream of the turbine do not generate back pressure usually encountered on this type of engine. This is favorable for the operation of the turbocharger and for the operation of the engine at full load and at high speed, for example about 4000 revolutions per minute for a diesel engine. The compactness of the particulate filter which allows a mounting close to the cylinder head and the turbine allows a reduction of the pressure losses at the exhaust, thus losses by pumping of the engine and consequently a reduction of the specific consumption of the engine with strong load and high speed. Regeneration is continuous, it is no longer necessary to have regeneration management systems, expensive, complex to develop and difficult to control by the engine control system. Due to the total or partial removal of the exhaust manifold, the entire exhaust gain compactness and can be more easily implanted in the engine compartment of a vehicle. Advantageously, the treatment unit comprises an exhaust gas after-treatment system, for example a catalytic converter and a particulate filter. In one embodiment, the input of the processing set has a biconical form. In another embodiment, the input of the processing assembly has a conical shape. The conical shape may be divergent in the flow direction of the exhaust gas. In one embodiment, the input of the processing unit is connected to the output of the cylinder head. This prevents the pressure losses between the treatment unit and the cylinder head. In one embodiment, a high pressure turbine and a low pressure turbine are mounted downstream of the treatment assembly.

Dans un autre mode de réalisation, une turbine haute pression est interposée entre la sortie de la culasse et l'entrée de l'ensemble de traitement. Un convergent peut être monté entre la sortie de l'ensemble de traitement et l'entrée d'une turbine basse pression. Dans un mode de réalisation, la culasse est pourvue de conduits se réunissant en amont du collecteur d'échappement. Dans un autre mode de réalisation, la culasse est pourvue de conduits séparés. Le ou les conduits de la culasse débouchent dans l'ensemble de traitement.  In another embodiment, a high pressure turbine is interposed between the output of the cylinder head and the inlet of the treatment unit. A convergent may be mounted between the output of the treatment assembly and the inlet of a low pressure turbine. In one embodiment, the cylinder head is provided with ducts meeting upstream of the exhaust manifold. In another embodiment, the yoke is provided with separate conduits. The duct or ducts of the cylinder head open into the treatment unit.

Le moteur à combustion interne comprend une culasse, un ensemble de traitement et une turbine de turbocompresseur disposés dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. L'entrée de l'ensemble de traitement est reliée à la sortie de la culasse.  The internal combustion engine comprises a cylinder head, a treatment assembly and a turbocharger turbine arranged in the direction of flow of the exhaust gas. The input of the processing unit is connected to the output of the cylinder head.

Selon la disposition des cylindres, le moteur peut comprendre une ou plusieurs culasses associées à un ou plusieurs filtres à particules et à une ou plusieurs turbines entraînant chacune un compresseur. L'invention s'applique aux moteurs diesel suralimentés ou 10 encore aux moteurs essence à injection directe fonctionnant en mélange pauvre et munis d'un filtre à particules. Le turbocompresseur peut être du type à turbine à géométrie fixe ou variable, à compresseur à géométrie fixe ou variable, assisté électriquement, etc. Dans le cas d'une suralimentation en plusieurs étages, les turbines peuvent être 15 placées en série ou en parallèle. Afin de réduire encore plus l'inertie thermique du filtre à particules, l'enveloppe extérieure du filtre à particules et du système de post-traitement peuvent être fabriqués dans un matériau faiblement conducteur de la chaleur, de type céramique, ou calorifugé à l'aide de 20 matériau isolant thermiquement ou disposé dans une enveloppe externe emprisonnant une couche d'air sec entre deux parois, d'où une diminution des pertes thermiques par conduction et par rayonnement. Dans le cas de moteur à plusieurs étages de suralimentation, le système de dépollution comprenant le filtre à particules et 25 éventuellement un catalyseur d'oxydation peut être placé entre la première et la deuxième turbine. Une telle architecture est très favorable pour accroître l'énergie à l'entrée de la turbine haute pression, grâce à la diminution des pertes thermiques à l'échappement et à l'obtention de niveaux de pulsation très élevés à l'entrée de la 30 turbine, ce qui est particulièrement favorable pour le fonctionnement du moteur à bas régime et en transitoire. L'invention s'applique à des moteurs pourvus d'une ou plusieurs soupapes d'échappement par cylindre.  Depending on the arrangement of the cylinders, the engine may comprise one or more heads associated with one or more particulate filters and one or more turbines each driving a compressor. The invention is applicable to supercharged diesel engines or still to direct injection gasoline engines operating in lean mixture and provided with a particulate filter. The turbocharger can be of the turbine type with fixed or variable geometry, compressor with fixed or variable geometry, electrically assisted, etc. In the case of multi-stage turbocharging, the turbines can be placed in series or in parallel. In order to further reduce the thermal inertia of the particulate filter, the outer casing of the particulate filter and the aftertreatment system may be made of a poorly heat-conducting, ceramic-like material, or heat-insulated material. using thermally insulating material or disposed in an outer envelope trapping a layer of dry air between two walls, resulting in a reduction in thermal losses by conduction and radiation. In the case of a multi-stage supercharging engine, the pollution control system comprising the particulate filter and optionally an oxidation catalyst may be placed between the first and second turbines. Such an architecture is very favorable for increasing the energy at the inlet of the high-pressure turbine, thanks to the reduction of thermal losses at the exhaust and to obtaining very high pulsation levels at the inlet of the turbine. turbine, which is particularly favorable for the operation of the engine at low speed and in transient. The invention applies to engines provided with one or more exhaust valves per cylinder.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur selon un premier mode de réalisation ; la figure 2 est une vue en coupe transversale de la sortie de la culasse, - la figure 3 est une vue schématique d'un moteur selon un autre mode de réalisation ; - la figure 4 est une vue schématique d'un moteur selon un autre mode de réalisation ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale de la sortie de la culasse de la figure 4 ; la figure 6 est une vue schématique générale d'un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est une vue en coupe transversale de la sortie de la culasse de la figure 6 ; la figure 8 est une vue de côté du dispositif d'échappement de la figure 6 ; - la figure 9 est une vue schématique générale d'un moteur selon un autre mode de réalisation ; la figure 10 est une vue schématique générale d'un moteur selon un autre mode de réalisation de l'invention ; la figure 11 est une courbe de pression en fonction du régime moteur ; et - la figure 12 est une courbe de couple en fonction du temps. Comme on peut le voir sur la figure 1, un moteur référencé 1 dans son ensemble comprend une pluralité de cylindres 2, ici au nombre de quatre, disposés selon des axes parallèles, une culasse 3, un ensemble de traitement des gaz 4 et un turbocompresseur 5. Chaque cylindre 2 comprend deux soupapes d'échappement 6 débouchant dans des conduites 7 de la culasse 3. La culasse 3 comprend des conduites 7 de telle sorte que chaque soupape d'échappement 6 est reliée à une conduite 7. Deux conduites 7 associées à un même cylindre 2 se rejoignent à l'opposé du cylindre 2 en une portion commune 8. L'ensemble de traitement 4 comprend un filtre à particules 9 et un catalyseur d'oxydation 10 monté en aval du filtre à particules 9 dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. L'ensemble 4 est également pourvu d'une entrée 11 reliée aux portions communes 8 des conduites 7. L'ensemble de traitement 4 est entouré par une paroi 12 isolante thermiquement. Le turbocompresseur 5 comprend une turbine 13 entraînant en rotation un compresseur 14. La turbine 13 reçoit les gaz d'échappement à la sortie de l'ensemble de traitement 4 par l'intermédiaire d'une conduite 15. Une conduite 15 assure l'écoulement des gaz d'échappement en sortie de la turbine 13 et peut être reliée en aval à un silencieux non représenté. Le compresseur 14 est associé à une conduite d'entrée d'air frais 17 et à une conduite de sortie 18 d'air comprimé. Le fonctionnement du moteur 1 est le suivant. Les gaz d'échappement quittant l'intérieur des cylindres 2 passent par les soupapes d'échappement 6, les conduites 7 et les portions communes 8 puis dans l'entrée 11 de l'ensemble de traitement. En raison de la faible distance entre les cylindres 2 et l'ensemble de traitement 4, les gaz d'échappement entrent dans l'ensemble de traitement 4 à une température très élevée de plusieurs centaines de degrés, par exemple supérieure à 550 C pour l'immense majorité des points de fonctionnement du moteur. Le filtre à particules 9 assure la retenue des particules de suie présentes dans les gaz d'échappement. Les particules de suie arrêtées par le filtre à particules 9 sont oxydées au contact de l'oxygène et du dioxyde d'azote présents dans les gaz d'échappement. L'oxydation par le dioxyde d'azote est particulièrement efficace à des températures de l'ordre de 300 à 400 C. Les particules de suie sont donc oxydées relativement rapidement et ont un temps de présence dans le filtre à particules 9 particulièrement faible. On obtient ce que l'on appelle une régénération continue ou quasi continue d'où la faible dimension du filtre à particules 9 qui n'a pas besoin de stocker une grande quantité de suie. Les gaz d'échappement débarrassés des suies passent ensuite dans le catalyseur d'oxydation dans lequel les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone sont oxydés, notamment par réduction du dioxyde d'azote en azote. Les gaz d'échappement épurés passent dans la conduite 15 et traversent ensuite la turbine 13 à une température encore très élevée et suffisante pour entraîner de façon satisfaisante le turbocompresseur 5 dans son ensemble. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, l'entrée 11 de l'ensemble de traitement 4 présente une forme biconique convergente puis divergente dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, l'entrée 11 de l'ensemble de traitement 4 présente une longueur axiale réduite avec une forme générale de cône simple convergent vers le filtre à particules 9, en d'autres termes dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. La longueur réduite de l'entrée 11 de l'ensemble de traitement 4 permet une réduction des pertes de charge à l'écoulement des gaz d'échappement et une réduction des pertes thermiques par conduction ou rayonnement. Comme on peut le voir sur la figure 2 qui montre la coupe transversale de la sortie de la culasse du moteur illustré sur la figure 1 et également du moteur illustré sur la figure 3, les portions communes 8 des conduites 7 sont alignées et sensiblement coplanaires. Il en résulte une sortie de culasse relativement allongée transversalement. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4, l'entrée 11 de l'ensemble de traitement présente une forme générale conique et divergente vers le filtre à particules 9. Les portions communes 8 des conduites 7 de la culasse 3 sont uniformément réparties dans le plan de sortie de la culasse visible sur la figure 5. La culasse 3 présente une sortie de section circulaire. Les conduites 7 peuvent être symétriques par rapport à un plan séparant les cylindres par groupes de 2. Cette architecture particulière permet de mieux répartir les conduites 7 dans la culasse 3 et d'avoir un filtre à particules de dimension encore plus réduite, ce qui s'avère favorable pour diminuer l'inertie thermique de l'ensemble de traitement 4 et globalement l'inerte thermique des dispositifs en amont de la turbine à air. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 6, les portions communes des conduites 7 des cylindres centraux se rejoignent en un tronçon 19 commun. La sortie de la culasse 3 présente une forme circulaire et contient le tronçon commun 19 et deux portions communes 8. Les dimensions de la sortie de la culasse peuvent être encore plus réduites et les conduites 7 présenter une excellente répartition spatiale. L'inertie thermique de l'échappement est encore réduite, ce qui s'avère avantageux pour le rendement du moteur. Sur la figure 8, est montré un exemple d'implantation de l'ensemble de traitement sensiblement parallèlement à l'axe du carter cylindre.  The present invention will be better understood on reading the detailed description of some embodiments taken as non-limiting examples and illustrated by the appended drawings in which: FIG. 1 is a schematic view of an engine according to a first embodiment; Fig. 2 is a cross-sectional view of the bolt outlet; Fig. 3 is a schematic view of an engine according to another embodiment; - Figure 4 is a schematic view of an engine according to another embodiment; FIG. 5 is a cross-sectional view of the outlet of the cylinder head of FIG. 4; Figure 6 is a general schematic view of another embodiment of the invention; Figure 7 is a cross-sectional view of the outlet of the cylinder head of Figure 6; Figure 8 is a side view of the exhaust device of Figure 6; FIG. 9 is a general schematic view of an engine according to another embodiment; Figure 10 is a general schematic view of an engine according to another embodiment of the invention; Figure 11 is a pressure curve versus engine speed; and - Figure 12 is a torque versus time curve. As can be seen in Figure 1, a motor referenced 1 as a whole comprises a plurality of cylinders 2, here four in number, arranged along parallel axes, a cylinder head 3, a gas treatment unit 4 and a turbocharger 5. Each cylinder 2 comprises two exhaust valves 6 opening into lines 7 of the cylinder head 3. The cylinder head 3 comprises pipes 7 so that each exhaust valve 6 is connected to a pipe 7. Two associated pipes 7 at the same cylinder 2 meet opposite the cylinder 2 in a common portion 8. The treatment unit 4 comprises a particle filter 9 and an oxidation catalyst 10 mounted downstream of the particulate filter 9 in the direction Exhaust gas flow. The assembly 4 is also provided with an inlet 11 connected to the common portions 8 of the pipes 7. The treatment unit 4 is surrounded by a wall 12 thermally insulating. The turbocharger 5 comprises a turbine 13 driving a compressor 14 in rotation. The turbine 13 receives the exhaust gas at the outlet of the treatment unit 4 via a pipe 15. A pipe 15 ensures the flow exhaust gas at the outlet of the turbine 13 and can be connected downstream to a silencer not shown. The compressor 14 is associated with a fresh air intake pipe 17 and an outlet pipe 18 of compressed air. The operation of the engine 1 is as follows. The exhaust leaving the inside of the cylinders 2 passes through the exhaust valves 6, the pipes 7 and the common portions 8 and then into the inlet 11 of the treatment unit. Due to the small distance between the cylinders 2 and the treatment unit 4, the exhaust gases enter the treatment unit 4 at a very high temperature of several hundred degrees, for example greater than 550 ° C. immense majority of the operating points of the engine. The particulate filter 9 ensures the retention of soot particles present in the exhaust gas. The soot particles arrested by the particulate filter 9 are oxidized in contact with the oxygen and nitrogen dioxide present in the exhaust gas. The oxidation with nitrogen dioxide is particularly effective at temperatures of the order of 300 to 400 C. The soot particles are therefore oxidized relatively quickly and have a time of presence in the particulate filter 9 particularly low. What is known as a continuous or quasi-continuous regeneration is obtained from which the small size of the particulate filter 9 does not need to store a large quantity of soot. The exhaust gases freed of soot then pass into the oxidation catalyst in which the unburnt hydrocarbons and carbon monoxide are oxidized, in particular by reducing nitrogen dioxide to nitrogen. The purified exhaust passes through line 15 and then passes through turbine 13 at a still very high temperature sufficient to satisfactorily drive the turbocharger as a whole. In the embodiment illustrated in FIG. 1, the inlet 11 of the treatment unit 4 has a convergent biconical shape and then a divergent shape in the direction of flow of the exhaust gases. In the embodiment illustrated in FIG. 3, the inlet 11 of the treatment unit 4 has a reduced axial length with a general shape of a simple cone converging towards the particulate filter 9, in other words in the direction Exhaust gas flow. The reduced length of the inlet 11 of the treatment unit 4 makes it possible to reduce the pressure losses at the flow of the exhaust gases and a reduction of the thermal losses by conduction or radiation. As can be seen in Figure 2 which shows the cross-section of the output of the cylinder head of the engine shown in Figure 1 and also the engine shown in Figure 3, the common portions 8 of the pipes 7 are aligned and substantially coplanar. This results in a relatively elongated cylinder head outlet transversely. In the embodiment illustrated in FIG. 4, the inlet 11 of the treatment assembly has a generally conical and divergent shape towards the particulate filter 9. The common portions 8 of the pipes 7 of the cylinder head 3 are uniformly distributed in the output plane of the bolt visible in Figure 5. The cylinder head 3 has a circular section output. The pipes 7 may be symmetrical with respect to a plane separating the rolls in groups of 2. This particular architecture makes it possible to better distribute the pipes 7 in the cylinder head 3 and to have a particulate filter of even smaller size, which is favorable to reduce the thermal inertia of the treatment unit 4 and overall thermal inert devices upstream of the air turbine. In the embodiment illustrated in FIG. 6, the common portions of the pipes 7 of the central cylinders meet in a common section 19. The output of the cylinder head 3 has a circular shape and contains the common section 19 and two common portions 8. The dimensions of the output of the cylinder head can be further reduced and the pipes 7 have an excellent spatial distribution. The thermal inertia of the exhaust is further reduced, which is advantageous for the efficiency of the engine. In Figure 8, is shown an example of implementation of the processing assembly substantially parallel to the axis of the cylinder block.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 9, le moteur 1 comprend deux turbocompresseurs, un turbocompresseur 5 haute pression et un turbocompresseur 20 basse pression. Le turbocompresseur 5 haute pression est disposé comme dans les modes de réalisation précédents. Le turbocompresseur basse pression 20 comprend une turbine 21 reliée en entrée à la conduite 17 de sortie de la turbine haute pression 13 et un compresseur haute pression relié en entrée à la conduite de sortie 18 du compresseur haute pression 14. Une conduite de sortie des gaz d'échappement 23 est montée en sortie de la turbine basse pression 21. La culasse peut être de type analogue à celle illustrée sur la figure 6. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 10, le moteur 1 comprend un turbocompresseur haute pression 24 comprenant une turbine 25 et un compresseur 26. La turbine haute pression 25 est montée entre la sortie de la culasse 3 et l'ensemble de traitement 4. Le moteur 1 comprend également un turbocompresseur basse pression 27 pourvu d'une turbine basse pression 28 et d'un compresseur basse pression 29. La turbine basse pression 28 est montée en aval de l'ensemble de traitement 4. Le compresseur basse pression 29 est relié à la conduite 17 de sortie du compresseur haute pression 26.  In the embodiment illustrated in FIG. 9, the engine 1 comprises two turbochargers, a high pressure turbocharger and a low pressure turbocharger. The high pressure turbocharger is arranged as in the previous embodiments. The low-pressure turbocharger 20 comprises a turbine 21 connected at the inlet to the outlet pipe 17 of the high-pressure turbine 13 and a high-pressure compressor connected as input to the outlet pipe 18 of the high-pressure compressor 14. A gas outlet pipe 23 is mounted at the outlet of the low-pressure turbine 21. The cylinder head may be of the type analogous to that illustrated in FIG. 6. In the embodiment illustrated in FIG. 10, the engine 1 comprises a high-pressure turbocharger 24. comprising a turbine 25 and a compressor 26. The high-pressure turbine 25 is mounted between the outlet of the cylinder head 3 and the treatment unit 4. The engine 1 also comprises a low-pressure turbocharger 27 provided with a low-pressure turbine 28 and a low-pressure compressor 29. The low-pressure turbine 28 is mounted downstream of the treatment unit 4. The low-pressure compressor 29 is connected to the outlet pipe 17 e of the high pressure compressor 26.

Plus précisément, la turbine 25 est pourvue d'une entrée 30 en contact direct avec la sortie de la culasse 3. La culasse 3 peut être du type illustré sur la figure 6. La turbine haute pression 25 est montée à proximité immédiate de la sortie de la culasse 3. La sortie de la turbine haute pression 25 débouche dans l'entrée 11 de l'ensemble de traitement 4 de type généralement conique divergent vers l'aval. L'ensemble de traitement 4 comprend également une sortie 31 de forme générale conique convergente vers l'aval et reliée directement à la turbine basse pression 28.  More specifically, the turbine 25 is provided with an inlet 30 in direct contact with the outlet of the cylinder head 3. The cylinder head 3 can be of the type illustrated in FIG. 6. The high-pressure turbine 25 is mounted in the immediate vicinity of the outlet. 3. The output of the high-pressure turbine 25 opens into the inlet 11 of the treatment unit 4 of generally conical type diverge downstream. The treatment unit 4 also comprises an outlet 31 of generally conical shape convergent downstream and connected directly to the low pressure turbine 28.

Du fait de l'absence de collecteur d'échappement, de la réduction des pertes de charge du système et de l'alimentation directe de la turbine haute pression 25 par les gaz d'échappement, les pulsations à l'entrée de la turbine haute pression 25 sont très élevées. La courbe illustrée sur la figure 11 de l'évolution de la pression moyenne d'échappement en fonction du régime moteur permet de mieux appréhender les effets favorables de l'ensemble de traitement 4 monté en amont d'au moins une turbine de turbocompresseur. Les points de fonctionnement du moteur ont été regroupés en quatre zones. La zone A est proche de la limite de pleine charge à haut régime et correspond à une zone de forte température, supérieure à 550 C où la régénération du filtre à particules en continu est possible. La zone B correspond à une zone de régénération du filtre à particules possible par oxydation des suies par le dioxyde d'azote pour des températures généralement supérieures à 300 C dans un agencement conforme à l'art antérieur avec l'ensemble de traitement disposé en aval de la ou des turbines. La zone C correspond à l'agrandissement de la zone B vers les faibles charges et les faibles régimes obtenus grâce à l'invention avec une turbine montée en aval d'un ensemble de traitement. Les températures en entrée de l'ensemble de traitement étant beaucoup plus élevées que dans un agencement conventionnel, la limite de régénération de filtre à particules par le dioxyde d'azote est abaissée à des niveaux de charge et de régime nettement plus faibles. La régénération du filtre à particules est ainsi possible dans des zones de fonctionnement du moteur beaucoup plus étendues, ce qui rend la régénération du filtre à particules quasi continue quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur sur un véhicule. A titre d'exemple, la zone D correspond à un fonctionnement au ralenti tandis que la zone C correspond à un fonctionnement de roulage du véhicule en descente ou à une vitesse stabilisée sur sol plat en conduite de type urbain. La figure 12 illustre l'effet de l'invention et notamment de l'architecture compacte avec les conduits d'échappement se rejoignant dans la culasse d'échappement sur les performances du moteur en 10 transitoire. Les courbes représentent l'évolution du couple moteur dans le cas où le conducteur enfonce brutalement la pédale d'accélérateur à t=0. - la courbe FAP amont correspond à une architecture filtre à particules est situé en amont de la turbine, mais ne bénéficiant pas de l'architecture propre à l'invention. Les volumes et les surfaces d'échange importants introduisent une forte inertie thermique du système, pénalisante du point de vue de l'énergie disponible à l'entrée de la turbine. Le temps de réponse (temps pour atteindre 90 % du couple maximal) est très nettement supérieur à 10s, ce qui n'est pas acceptable pour le fonctionnement du véhicule. - la courbe FAP aval correspond à une situation classique où le filtre à particules est situé en aval de la turbine. L'énergie récupérée par la turbine est proche de l'optimal et le temps de réponse du moteur est d'environ 2s. En revanche, le système est pénalisé pour la régénération comme l'a montré la figure 7. - la courbe invention correspond à l'architecture proposée avec conduits se rejoignant dans la culasse et filtre à particules en amont de la (des) turbine(s). Dans ce cas, le système est pénalisé par une inertie thermique légèrement supérieure à la situation FAP aval , mais le temps de réponse est très proche de celui de la courbe FAP aval . Les performances sont préservées, avec un niveau de 15 20 25 30  Due to the absence of an exhaust manifold, the reduction of the system pressure drops and the direct supply of the high-pressure turbine 25 by the exhaust gases, the pulsations at the inlet of the high turbine pressure 25 are very high. The curve illustrated in FIG. 11 of the evolution of the average exhaust pressure as a function of the engine speed makes it possible to better understand the favorable effects of the treatment unit 4 mounted upstream of at least one turbocharger turbine. The operating points of the motor have been grouped into four zones. Zone A is close to the full load limit at high speed and corresponds to a zone of high temperature, greater than 550 ° C., where the regeneration of the continuous particle filter is possible. Zone B corresponds to a regeneration zone of the particulate filter possible by oxidation of soot by nitrogen dioxide for temperatures generally greater than 300 ° C. in an arrangement according to the prior art with the set of treatment arranged downstream. of the turbine or turbines. Zone C corresponds to the enlargement of zone B towards the low loads and the low speeds obtained thanks to the invention with a turbine mounted downstream of a treatment unit. Since the inlet temperatures of the treatment unit are much higher than in a conventional arrangement, the particulate filter regeneration limit by nitrogen dioxide is lowered to significantly lower charge and speed levels. Regeneration of the particulate filter is thus possible in much larger areas of engine operation, which makes regeneration of the particulate filter quasi continuous regardless of the operating conditions of the engine on a vehicle. For example, the zone D corresponds to idling while the zone C corresponds to a taxiing operation of the vehicle downhill or at a steady speed on flat ground in urban type driving. FIG. 12 illustrates the effect of the invention and in particular of the compact architecture with the exhaust ducts joining in the exhaust cylinder on the performance of the transient engine. The curves represent the evolution of the engine torque in the case where the driver suddenly depresses the accelerator pedal at t = 0. - The upstream FAP curve corresponds to a particulate filter architecture is located upstream of the turbine, but not benefiting from the architecture of the invention. The large volumes and exchange surfaces introduce a high thermal inertia of the system, penalizing from the point of view of the energy available at the inlet of the turbine. The response time (time to reach 90% of the maximum torque) is very much greater than 10s, which is not acceptable for the operation of the vehicle. the downstream FAP curve corresponds to a conventional situation where the particulate filter is situated downstream of the turbine. The energy recovered by the turbine is close to optimal and the response time of the motor is about 2s. On the other hand, the system is penalized for the regeneration as shown in FIG. 7. The invention curve corresponds to the proposed architecture with ducts joining in the cylinder head and particle filter upstream of the turbine (s). ). In this case, the system is penalized by a thermal inertia slightly higher than the downstream FAP situation, but the response time is very close to that of the downstream FAP curve. The performances are preserved, with a level of 15 20 25 30

Claims (12)

REVENDICATIONS 1-Dispositif d'échappement de moteur suralimenté (1), comprenant une culasse (3), une turbine (13) de turbocompresseur (5) et un ensemble de traitement (4) des gaz d'échappement, caractérisé par le fait que l'ensemble de traitement est disposé entre la culasse (3) et la turbine (13), l'entrée de la turbine (13) étant reliée à la sortie de l'ensemble de traitement (4).  1-Supercharged engine exhaust system (1), comprising a cylinder head (3), a turbocharger turbine (13) (5) and an exhaust gas treatment unit (4), characterized in that the treatment unit is disposed between the cylinder head (3) and the turbine (13), the inlet of the turbine (13) being connected to the outlet of the treatment unit (4). 2-Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'ensemble de traitement (4) comprend un système de post-traitement des gaz 10 d'échappement et un filtre à particules (9).  2-Device according to claim 1, wherein the treatment unit (4) comprises an exhaust gas after-treatment system and a particulate filter (9). 3-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'entrée de l'ensemble de traitement (4) présente une forme biconique.  3-Device according to any one of the preceding claims, wherein the inlet of the treatment unit (4) has a biconical shape. 4-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'entrée 15 de l'ensemble de traitement (4) présente une forme conique.  4-Device according to claim 1 or 2, wherein the inlet 15 of the treatment assembly (4) has a conical shape. 5-Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l'entrée de l'ensemble de traitement (4) présente une forme conique divergente dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement.  5-Device according to claim 4, wherein the inlet of the treatment unit (4) has a divergent conical shape in the direction of flow of the exhaust gas. 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, dans lequel l'entrée de l'ensemble de traitement (4) est reliée à la sortie de la culasse (3).  6-Device according to any one of the preceding claims, wherein the input of the processing unit (4) is connected to the output of the yoke (3). 7-Dispositif selon la revendication 6, dans lequel une turbine haute pression et une turbine basse pression sont montées en aval de l'ensemble de traitement (4). 25  7-Device according to claim 6, wherein a high pressure turbine and a low pressure turbine are mounted downstream of the treatment unit (4). 25 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel une turbine haute pression est interposée entre la sortie de la culasse (3) et l'entrée de l'ensemble de traitement (4). 16  8-Device according to any one of claims 1 to 5, wherein a high pressure turbine is interposed between the output of the yoke (3) and the input of the processing unit (4). 16 9-Dispositif selon la revendication 8, dans lequel un convergeant est monté entre la sortie de l'ensemble de traitement (4) et l'entrée d'une turbine basse pression.  9-Device according to claim 8, wherein a convergent is mounted between the output of the processing assembly (4) and the inlet of a low pressure turbine. 10-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la culasse (3) est pourvue de conduits se réunissant en amont du filtre à particules.  10-Device according to any one of the preceding claims, wherein the yoke (3) is provided with ducts meeting upstream of the particulate filter. 11-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la culasse (3) est pourvue de conduits séparés.  11-Device according to any one of claims 1 to 9, wherein the yoke (3) is provided with separate conduits. 12-Moteur à combustion interne (1) caractérisé par le fait qu'il comprend une culasse (3), un ensemble de traitement (4) et une turbine (13) de turbocompresseur (5) disposés dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, l'entrée de l'ensemble de traitement (4) étant reliée à la sortie de la culasse (3).  12-Internal combustion engine (1) characterized in that it comprises a cylinder head (3), a treatment assembly (4) and a turbine (13) turbocharger (5) arranged in the direction of gas flow exhaust system, the inlet of the treatment unit (4) being connected to the outlet of the cylinder head (3).
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