FR2991714A1

FR2991714A1 - SYSTEM FOR COLLECTING AND PURIFYING EXHAUST GAS

Info

Publication number: FR2991714A1
Application number: FR1255301A
Authority: FR
Inventors: Eric Dumas; Gerard Stefani
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-13
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: IN2014DN10435A; EP2861844A1; EP2861844B1; FR2991714B1; WO2013182770A1

Abstract

Système (10) de collecte et d'épuration de gaz d'échappement comprenant : - un collecteur (11) d'échappement monté en aval d'un moteur à combustion interne - un catalyseur (12), caractérisé en ce que le collecteur comprend une sortie des gaz sensiblement hémisphérique (15) en périphérie d'une ouverture circulaire et en ce que le catalyseur (12) comprend une entrée sensiblement hémisphérique (26) ajustée à ladite sortie hémisphérique du collecteur (11), le collecteur et le catalyseur étant issus de l'assemblage de demi-coquilles obtenues par emboutissage.An exhaust gas collection and purification system (10) comprising: - an exhaust manifold (11) mounted downstream of an internal combustion engine - a catalyst (12), characterized in that the manifold comprises a substantially hemispherical gas outlet (15) at the periphery of a circular opening and in that the catalyst (12) comprises a substantially hemispherical inlet (26) fitted to said hemispherical outlet of the collector (11), the collector and the catalyst being from the assembly of half-shells obtained by stamping.

Description

SYSTEME DE COLLECTE ET D'EPURATION DE GAZ D'ECHAPPEMENT Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les dispositifs d'échappement de moteur à combustion interne. L'invention concerne plus particulièrement l'association d'un collecteur d'échappement à un catalyseur. L'invention concerne également un moteur à combustion interne comportant un dispositif d'échappement.TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to exhaust devices of an internal combustion engine. The invention more particularly relates to the combination of an exhaust manifold with a catalyst. The invention also relates to an internal combustion engine comprising an exhaust device.

Etat de la technique On connait les dispositifs d'épuration des gaz d'échappement disposés en aval selon le sens du flux des gaz du bloc moteur et qui comprennent un collecteur et un catalyseur. Le collecteur comporte une partie amont du côté du moteur avec plusieurs conduits d'entrée de gaz connectés avec les conduits de sortie du moteur et une partie aval reliée avec un catalyseur. Le catalyseur est positionné au plus proche du collecteur de telle façon à garder l'avantage des gaz chauds. Le catalyseur est composé d'un monolithe entouré de parois métalliques. Les gaz sont diffusés de manière homogène au travers du monolithe afin de ne pas dégrader les composants précieux dudit monolithe et d'obtenir une réaction optimale. A l'entrée de la partie catalyseur, on a donc une chambre destinée à mélanger les gaz issus du moteur puis une partie diffuseur pour réguler les flux au travers du monolithe. La publication FR2777320 divulgue un collecteur comportant une cavité et une partie terminale ayant sensiblement la forme d'un bol. La forme du bol facilite l'uniformisation des gaz d'échappement avant l'entrée dans le catalyseur. Un inconvénient relatif de ce collecteur est son mode de fabrication obtenu par moulage, d'où un coût relativement important pour des petits moteurs.STATE OF THE ART The exhaust gas purification devices disposed downstream in the direction of the flow of the gases of the engine block and which comprise a collector and a catalyst are known. The manifold has an upstream portion of the engine side with a plurality of gas inlet conduits connected with the engine outlet ducts and a downstream portion connected with a catalyst. The catalyst is positioned as close to the manifold as to keep the advantage of the hot gases. The catalyst is composed of a monolith surrounded by metal walls. The gases are diffused homogeneously through the monolith so as not to degrade the valuable components of said monolith and to obtain an optimal reaction. At the inlet of the catalyst part, there is therefore a chamber for mixing the gases from the engine and a diffuser portion to regulate the flow through the monolith. The publication FR2777320 discloses a collector having a cavity and an end portion having substantially the shape of a bowl. The shape of the bowl facilitates the uniformization of the exhaust gases before entering the catalyst. A relative disadvantage of this collector is its manufacturing method obtained by molding, resulting in a relatively high cost for small engines.

Un autre inconvénient concerne les dimensions dudit collecteur dont la chambre est d'un volume compris entre 0,8 fois et 1,5 fois la cylindrée du moteur, ce qui est important pour des petits moteurs.Another disadvantage relates to the dimensions of said collector whose chamber is of a volume between 0.8 times and 1.5 times the engine displacement, which is important for small engines.

Bref résumé de l'invention Un but de l'invention est de pallier ces inconvénients et l'invention a pour objet un système d'épuration des gaz en une seule pièce dont le coût de fabrication est peu élevé. L'objet de l'invention concerne plus particulièrement l'obtention du 10 système de collecte et d'épuration des gaz d'un encombrement réduit composé d'un collecteur et d'un catalyseur obtenus par emboutissage et soudure, et assemblés en une seule pièce. L'objet de l'invention est caractérisé plus particulièrement par un système de collecte et d'épuration des gaz d'échappement comprenant : 15 - un collecteur d'échappement monté en aval d'un moteur à combustion interne, - un catalyseur, caractérisé en ce que le collecteur comprend une sortie des gaz sensiblement hémisphérique en périphérie d'une ouverture circulaire et en ce 20 que le catalyseur comprend une entrée sensiblement hémisphérique ajustée à ladite sortie hémisphérique du collecteur, le collecteur et le catalyseur étant issus de l'assemblage de demi-coquilles obtenues par emboutissage. Selon les caractéristiques de l'invention : - le collecteur est composé d'une première demi-coquille supérieure et 25 d'une seconde coquille inférieure, chacune comportant un bord de liaison disposé sur un plan et la demi-coquille inférieure comportant la sortie sensiblement hémisphérique du collecteur, - les deux demi-coquilles du collecteur sont assemblées l'une à l'autre par une soudure en bord à bord selon le bord de liaison, 30 - les deux demi-coquilles du collecteur sont assemblées ensemble, l'une débordant sur l'autre et soudées par une soudure selon le bord de liaison dépassant, - le catalyseur comprend un plan médian de symétrie comprenant l'axe de l'entrée hémisphérique, - le catalyseur est composé de deux demi-coquilles, chacune comportant un trottoir de liaison disposé sur un plan médian de symétrie, - les deux demi coquilles du catalyseur sont assemblées l'une à l'autre par une soudure selon le trottoir de liaison, - le collecteur et le catalyseur sont des pièces en acier, - la sortie hémisphérique du collecteur est enfoncée dans l'entrée hémisphérique du catalyseur, les deux pièces sont fixées l'une à l'autre par un cordon de soudure en extrémité de l'entrée hémisphérique du catalyseur. D'autres aspects de l'invention sont présentés dans la description suivante en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif dans le seul de comprendre l'invention et comment elle peut être réalisée.BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION An object of the invention is to overcome these drawbacks and the invention relates to a one-piece gas purification system whose manufacturing cost is low. The object of the invention relates more particularly to obtaining the system for collecting and purifying gases of reduced bulk consisting of a collector and a catalyst obtained by stamping and welding, and assembled in a single room. The object of the invention is characterized more particularly by an exhaust gas collection and purification system comprising: an exhaust manifold mounted downstream of an internal combustion engine, a catalyst, characterized in that the collector comprises a substantially hemispherical gas outlet at the periphery of a circular opening and in that the catalyst comprises a substantially hemispherical inlet fitted to said hemispherical outlet of the collector, the collector and the catalyst being derived from the assembly half-shells obtained by stamping. According to the characteristics of the invention: the collector is composed of a first upper half-shell and a second lower shell, each having a connecting edge disposed on a plane and the lower half-shell having the outlet substantially hemispherical collector, - the two half-shells of the collector are joined to each other by an edge-to-edge weld along the connecting edge, the two half-shells of the collector are assembled together, one overflowing over the other and welded by a weld according to the connecting edge protruding, - the catalyst comprises a median plane of symmetry comprising the axis of the hemispherical inlet, - the catalyst is composed of two half-shells, each having a connecting sidewalk disposed on a median plane of symmetry, - the two half-shells of the catalyst are assembled to one another by a weld along the connecting sidewalk, - the collector and the catalyst r are steel parts, - the hemispherical outlet of the collector is pressed into the hemispherical inlet of the catalyst, the two parts are fixed to each other by a weld bead at the end of the hemispherical inlet of the catalyst. Other aspects of the invention are presented in the following description with reference to the accompanying drawings, given by way of non-limiting example solely to understand the invention and how it can be achieved.

Brève description des figures La figure 1 est une vue en perspective du système de collecte et d'épuration des gaz d'échappement. La figure 2 est une vue de coupe selon le plan BB de la figure 1 du collecteur et de la partie supérieure du catalyseur.BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 is a perspective view of the exhaust gas collection and purification system. Figure 2 is a sectional view along the plane BB of Figure 1 of the collector and the upper part of the catalyst.

La figure 3 est une vue en perspective de demi-coquilles formant le collecteur selon un mode de réalisation. La figure 4 est une vue en perspective de demi-coquilles formant le collecteur selon un autre mode de réalisation. La figure 5 est une vue en perspective de demi-coquilles formant le 25 catalyseur. Description détaillée des figures Les éléments communs référencés dans les différentes figures gardent les mêmes références. 30 Les éléments sont décrits par rapport à un axe Z sensiblement vertical, depuis un haut associé à la zone de collecte des gaz d'échappement en sortie du moteur vers un bas en sortie du catalyseur.Figure 3 is a perspective view of half-shells forming the collector according to one embodiment. Figure 4 is a perspective view of half-shells forming the collector according to another embodiment. Figure 5 is a perspective view of half-shells forming the catalyst. DETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES The common elements referenced in the various figures retain the same references. The elements are described with respect to a substantially vertical axis Z, from a top associated with the exhaust gas collection zone at the outlet of the engine towards a bottom outlet of the catalyst.

Le système 10 de collecte et d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur est composé selon la figure 1 d'un collecteur 11 et d'un catalyseur 12 fixé en aval du collecteur selon le sens d'écoulement des gaz. Selon la figure 2, le collecteur 11 est représenté ici avec trois branches de collecte destinées à être fixées aux sorties de conduits d'échappement du moteur (non représenté), ici un moteur à trois cylindres. Le collecteur comprend des tubes 14 de collecte des gaz et une chambre 13 de sortie des gaz connectée avec un catalyseur 12. Le catalyseur est de manière préférentielle disposé au plus près de la sortie du collecteur afin de profiter de la chaleur desdits gaz d'échappement pour avoir les différentes actions chimiques à l'intérieur du catalyseur. Le collecteur est composé de branches de collecte de gaz formées sensiblement par des tubes sensiblement de même diamètre qui débouchent dans la chambre 13 sensiblement cylindrique prolongée par une partie inférieure de forme sensiblement hémisphérique 15 convexe dans laquelle est ménagée une ouverture circulaire destinée à déboucher dans l'entrée du catalyseur 12. Selon la figure 3, le collecteur 11 est composé de deux demi-coquilles 16a, 16b selon un plan de coupe P1 sensiblement médian par rapport aux tubes de collecte 14 et porté par les axes desdits tubes. Une première demi-coquille 16a supérieure comprend ainsi des demi-tubes 14a raccordés ensemble dans une cavité sensiblement cylindrique 17a comportant une ouverture 18 destinée à un piquage pour une sonde à oxygène (non représentée).The system 10 for collecting and cleaning the exhaust gases of an engine is composed according to FIG. 1 of a collector 11 and a catalyst 12 attached downstream of the collector in the direction of flow of the gases. According to FIG. 2, the manifold 11 is represented here with three collection branches intended to be fixed to the exhaust duct outlets of the engine (not shown), here a three-cylinder engine. The collector comprises tubes 14 for collecting gases and a gas outlet chamber 13 connected with a catalyst 12. The catalyst is preferably arranged closer to the outlet of the collector in order to take advantage of the heat of said exhaust gases. to have the different chemical actions inside the catalyst. The collector is composed of gas collection branches formed substantially by tubes of substantially the same diameter which open into the substantially cylindrical chamber 13 extended by a bottom portion of substantially hemispherical convex shape in which is formed a circular opening intended to open into the chamber. Catalyst inlet 12. According to FIG. 3, the collector 11 is composed of two half-shells 16a, 16b according to a section plane P1 substantially median with respect to the collection tubes 14 and carried by the axes of said tubes. A first upper half-shell 16a thus comprises half-tubes 14a connected together in a substantially cylindrical cavity 17a having an opening 18 for a tapping for an oxygen sensor (not shown).

Une seconde demi-coquille 16b inférieure comprend des demi-tubes 14b complémentaires aux demi-tubes 14a de la demi-coquille supérieure 16a raccordés ensemble dans une cavité 17b sensiblement cylindrique se prolongeant vers le bas par la partie sensiblement hémisphérique 15 convexe. Dans la paroi de ladite partie hémisphérique 15 est ménagée une ouverture circulaire 19 destinée à déboucher dans l'entrée du catalyseur 12.A second lower half-shell 16b comprises half-tubes 14b complementary to the half-tubes 14a of the upper half-shell 16a connected together in a substantially cylindrical cavity 17b extending downwards by the substantially hemispherical convex portion. In the wall of said hemispherical portion 15 is formed a circular opening 19 intended to open into the inlet of the catalyst 12.

La partie sensiblement hémisphérique 15 permet un mélange des gaz d'échappement en sortie du collecteur 11 avant leur entrée dans le catalyseur 12. Les deux demi-coquilles 16a, 16b du collecteur 11 sont obtenues par 5 emboutissage d'une plaque en acier inox et mises en contact par les bords latéraux 20a, 20b des demi-tubes 14a, 14b et des cavités cylindriques 17a, 17b puis soudées ensemble. Selon un deuxième mode de réalisation représenté en figure 4, les bords latéraux 20b des demi-tubes 14b et de la cavité sensiblement cylindrique 10 17b de la demi-coquille inférieure 16b débordent légèrement sur la demi- coquille supérieure 16a de façon à ce qu'une partie de la demi-coquille supérieure soit recouverte par une partie de la demi-coquille inférieure 16b une fois les deux demi-coquilles 16a, 16b mises en contact et assemblées. La soudure peut alors être effectuée entre les deux demi-coquilles. 15 Selon la figure 5, le catalyseur 12 est composé d'une enveloppe 21 entourant un monolithe catalytique, ledit monolithe (non représenté) étant formé de conduites disposées selon un axe longitudinal d'une structure en nid d'abeille faite en céramique. L'enveloppe 21 du catalyseur 12 est formée de deux demi-coquilles 20 29a, 29b sensiblement symétriques par rapport au plan de symétrie P2. Les bords latéraux 30a, 30b desdites demi-coquilles 29a, 29b sont prolongés par un trottoir de liaison 31a, 31b situé dans le plan de symétrie P2. Les deux demi-coquilles 29a, 29b sont obtenues par emboutissage depuis une plaque en acier inoxydable et mises en contact par les trottoirs de 25 liaison 31a, 31b enserrant au préalable le monolithe catalytique puis soudées ensemble par un cordon de soudure le long des trottoirs de liaison. Ladite enveloppe 21 est composée d'une ouverture circulaire 22 d'entrée des gaz issus du collecteur, d'une deuxième partie 32 sensiblement cylindrique entourant le monolithe catalytique et d'une sortie 23 des gaz 30 composé d'une réduction 24 de section et d'un élément de sortie sensiblement tubulaire 25.The substantially hemispherical portion 15 allows a mixture of the exhaust gases at the outlet of the manifold 11 before they enter the catalyst 12. The two half-shells 16a, 16b of the manifold 11 are obtained by stamping a stainless steel plate and brought into contact by the lateral edges 20a, 20b of the half-tubes 14a, 14b and cylindrical cavities 17a, 17b and then welded together. According to a second embodiment shown in FIG. 4, the lateral edges 20b of the half-tubes 14b and of the substantially cylindrical cavity 17b of the lower half-shell 16b project slightly over the upper half-shell 16a so that a portion of the upper half-shell is covered by a portion of the lower half-shell 16b once the two half-shells 16a, 16b brought into contact and assembled. The welding can then be performed between the two half-shells. According to FIG. 5, the catalyst 12 is composed of a casing 21 surrounding a catalytic monolith, said monolith (not shown) being formed of pipes disposed along a longitudinal axis of a honeycomb structure made of ceramic. The envelope 21 of the catalyst 12 is formed of two half-shells 29a, 29b substantially symmetrical with respect to the plane of symmetry P2. The lateral edges 30a, 30b of said half-shells 29a, 29b are extended by a connecting sidewalk 31a, 31b located in the plane of symmetry P2. The two half-shells 29a, 29b are obtained by stamping from a stainless steel plate and brought into contact by the connecting sidewalks 31a, 31b previously gripping the catalytic monolith and then welded together by a weld bead along the sidewalks of link. Said envelope 21 is composed of a circular inlet opening 22 for the gases coming from the collector, a second substantially cylindrical portion 32 surrounding the catalytic monolith and an exit 23 of the gases composed of a section reduction 24 and a substantially tubular output element 25.

L'entrée 22 des gaz dans le catalyseur comprend une partie 26 sensiblement hémisphérique ajustée à la sortie hémisphérique 15 du collecteur 11 de manière à déborder sensiblement sur ladite sortie du collecteur, ce qui permet une orientation facile du catalyseur 11 selon les contraintes de disposition dudit catalyseur à proximité du moteur (non représenté). L'ouverture circulaire de la partie sensiblement sphérique 26 débouche dans une partie de diffusion 28, sans nécessité de passer par un élément tubulaire, ce qui permet également une réduction de l'encombrement du catalyseur 12. De manière préférentielle, l'axe CC de l'élément de sortie 25 sensiblement tubulaire est compris dans un plan de symétrie P2 défini par l'axe AA du cylindre de la partie 32 entourant le monolithe et par l'axe DD de la partie sensiblement hémisphérique 26 d'entrée des gaz. Le catalyseur 12 en exemple concerne de petits moteurs à trois cylindres d'une cylindrée sensiblement inférieure ou égale à 1 litre, le monolithe catalytique est sensiblement cylindrique d'un volume de l'ordre d'un litre avec un diamètre de l'ordre de 10cm et s'étend sur une longueur de l'ordre de 10cm. Le collecteur 11 et le catalyseur 12 sont mis en contact l'un dans l'autre : la sortie 15 hémisphérique du collecteur est enfoncée dans l'entrée 26 sensiblement hémisphérique du catalyseur. Les deux pièces sont alors soudées ensemble par un cordon de soudure selon le bord cylindrique du catalyseur. La liaison sphérique entre la sortie 15 du collecteur et l'entrée 26 du catalyseur permet d'obtenir une inclinaison de l'axe de la sortie hémisphérique 15 du collecteur par rapport à l'axe AA longitudinal du catalyseur pouvant varier entre 0 et 45 degrés. Le jeu reste constant entre la partie hémisphérique de la sortie 15 du collecteur et la partie hémisphérique 26 de l'entrée du catalyseur et une soudure est possible. Ce qui permet une adaptation simple du système selon l'invention à différents moteurs. L'objet de l'invention est atteint : le collecteur et le catalyseur sont de fabrication facile et peu couteuse et l'encombrement du système de collecte et d'épuration des gaz d'échappement est réduit. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés ci-avant mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit, notamment dans les techniques d'assemblage. Par exemple, les demi-coquilles composant le collecteur peuvent comporter un trottoir longeant les bords latéraux 20a, 20b des demi-tubes et de la cavité, la soudure pouvant être faite au niveau dudit trottoir.The inlet 22 of the gases in the catalyst comprises a substantially hemispherical portion 26 fitted to the hemispherical outlet 15 of the collector 11 so as to extend substantially over said outlet of the collector, which allows easy orientation of the catalyst 11 according to the layout constraints of said catalyst near the engine (not shown). The circular opening of the substantially spherical portion 26 opens into a diffusion portion 28, without the need to pass through a tubular element, which also allows a reduction in the size of the catalyst 12. Preferably, the axis CC of the substantially tubular outlet member 25 is in a plane of symmetry P2 defined by the axis AA of the cylinder of the portion 32 surrounding the monolith and the axis DD of the substantially hemispherical portion 26 of the gas inlet. The catalyst 12 for example relates to small three-cylinder engines of a cylinder capacity substantially less than or equal to 1 liter, the catalytic monolith is substantially cylindrical with a volume of the order of one liter with a diameter of the order of 10cm and extends over a length of the order of 10cm. The collector 11 and the catalyst 12 are brought into contact with each other: the hemispherical outlet of the collector is pushed into the substantially hemispherical inlet 26 of the catalyst. The two parts are then welded together by a weld bead along the cylindrical edge of the catalyst. The spherical connection between the outlet 15 of the collector and the inlet 26 of the catalyst makes it possible to obtain an inclination of the axis of the hemispherical outlet 15 of the collector with respect to the longitudinal axis AA of the catalyst which may vary between 0 and 45 degrees. . The clearance remains constant between the hemispherical portion of the outlet 15 of the collector and the hemispherical portion 26 of the catalyst inlet and a weld is possible. This allows a simple adaptation of the system according to the invention to different engines. The object of the invention is achieved: the collector and the catalyst are easy to manufacture and inexpensive and the size of the exhaust gas collection and purification system is reduced. The invention is not limited to the embodiments described above, but the skilled person will be able to make any variant within his mind, especially in assembly techniques. For example, the half-shells composing the collector may comprise a sidewalk along the side edges 20a, 20b of the half-tubes and the cavity, the weld can be made at said sidewalk.

Claims

CLAIMS1) System (10) for collecting and purifying exhaust gas comprising: - an exhaust manifold (11) mounted downstream of an internal combustion engine - a catalyst (12) comprising a substantially cylindrical portion, characterized in that the collector comprises a substantially hemispherical gas outlet (15) at the periphery of a circular aperture and that the catalyst (12) comprises a substantially hemispherical inlet (26) joined to said hemispherical outlet of the collector (11). ).

2) System (10) according to claim 1, characterized in that the collector and the catalyst are derived from the assembly of half-shells obtained by stamping. 15

3) System (10) according to claim 1, characterized in that the collector (11) is composed of a first upper half-shell (16a) and a second lower shell (16b), each having an edge (20a, 20b ) of the connection disposed on a plane (P1) and the lower half-shell having the substantially hemispherical output (15) of the collector. 20

4) System (10) according to claim 2, characterized in that the two half-shells (16a, 16b) of the collector are assembled to one another by a weld edge to edge along the connecting edge (20a , 20b).

5) System (10) according to claim 2, characterized in that the two half-shells (16a, 16b) of the manifold are assembled one overflowing 25 on the other and welded by a weld along the connecting edge (20a , 20b) protruding.

6) System (10) according to one of claims 4 or 5, characterized in that the catalyst (12) comprises a median plane of symmetry comprising the axis of the hemispherical inlet. 30

7) System (10) according to claim 6, characterized in that the catalyst is composed of two half-shells (29a, 29b), eachcomportant a connecting sidewalk (31a, 31b) disposed on a median plane of symmetry.

8) System (10) according to claim 7, characterized in that the two half-shells (29a, 29b) of the catalyst (12) are joined to each other by a weld along the connecting sidewalk (31a, 31b). ).

9) System (10) according to claim 8, characterized in that the collector and the catalyst are steel parts.

10) System (10) according to any one of claims 1 - 9, characterized in that the hemispherical outlet (15) of the collector (11) is pressed into the hemispherical inlet (26) of the catalyst (12), both parts are attached to each other by a weld seam at the end of the hemispherical inlet of the catalyst.