FR3027626A1 - Systeme d'echappement pour moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un système d'échappement pour moteur à combustion interne deux temps pourvu d'au moins deux cylindres, chaque cylindre comportant au moins une sortie d'échappement contrôlée par une soupape (16a, 16b), le système comportant au moins un collecteur d'échappement (10) caractérisé en ce que ledit au moins un collecteur (10) comprend un compartiment d'expansion (11) de gaz présentant un volume sensiblement supérieur et/ou égal à celui d'un cylindre et adjacent à la sortie d'échappement.

Description

SYSTEME D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un système d'échappement pour moteur à combustion interne. L'invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant un tel système d'échappement ainsi qu'un véhicule comprenant un tel moteur.
Dans l'art antérieur illustré sur la figure 1, un moteur thermique à combustion interne comporte plusieurs cylindres 3 pourvus chacun d'une chambre de combustion de laquelle s'échappent par intermittence des gaz d'échappement. Un système d'échappement est alors disposé en aval du moteur selon le sens du flux des gaz. Ainsi les gaz d'échappement provenant du moteur sont canalisés par un collecteur d'échappement 1 afin de les évacuer à l'endroit adéquat et de réduire le bruit généré par le moteur. Le système d'échappement comporte en outre fréquemment une turbine d'un turbocompresseur suivi par un système de post-traitement des gaz afin de dépolluer ceux-ci ainsi qu'un dispositif de récupération des gaz 5. Ainsi qu'il est illustré sur la figure 2, le collecteur d'échappement 1 comporte une partie en amont du côté du moteur avec plusieurs conduits d'entrée 3 de gaz agencés dans la culasse 8 du moteur et qui présentent chacun une longueur L1 importante de l'ordre de 40 à 60mm. Ces conduits d'entrée 3 de gaz sont connectés au niveau de la sortie de chaque cylindre 4, plus précisément au niveau des soupapes d'échappement 7. Ce collecteur 1 comprend également un conduit de sortie 2 en aval connecté à la turbine du turbocompresseur ou au système de post-traitement des gaz ainsi qu'un autre conduit de sortie 6 connecté à un dispositif de récupération des gaz 5. Cependant un des inconvénients majeur d'un tel système d'échappement, est un balayage insuffisant des gaz des cylindres pour un moteur deux temps susceptible d'entrainer une surconsommation de carburant notamment aux régimes élevés du moteur du fait des perturbations acoustiques remontant aux soupapes d'échappement.
Un autre inconvénient concerne l'accord acoustique dû au vidage et remplissage du collecteur par les gaz issus des différents cylindres du moteur fonctionnant de façon déphasée l'un par rapport à l'autre. La publication FR-A1-2592430 divulgue une culasse de moteur à 15 combustion 2 temps comportant une préchambre de combustion communiquant avec le cylindre par un canal de transfert afin d'améliorer le balayage des cylindres dudit moteur. Un inconvénient est la multiplicité des systèmes actifs comportant des soupapes et le contrôle des différentes séquences entre lesdits systèmes 20 actifs. La publication US-A1-2012304972 divulgue un moteur à combustion interne 2 temps comportant une pompe à air afin d'améliorer le balayage des cylindres 25 Un inconvénient du moteur présenté est l'ajout d'un système actif tel que la pompe à air pour améliorer le balayage des cylindres. La présente invention a pour objet de remédier en tout ou partie aux différents inconvénients cités précédemment. 30 Avantageusement, l'invention permet de diminuer voire de supprimer les interférences acoustiques d'un système d'échappement. Dans ce dessein, l'invention concerne un système d'échappement pour moteur à combustion interne deux temps pourvu d'au moins deux cylindres, chaque cylindre comportant au moins une sortie d'échappement contrôlée par une soupape, le système comportant au moins un collecteur d'échappement, ledit au moins un collecteur comprenant un compartiment d'expansion de gaz présentant un volume sensiblement supérieur et/ou égal à celui d'un cylindre et adjacent à la sortie d'échappement. Dans d'autres modes de réalisation : - ledit au moins un collecteur est agencé en tout ou partie dans la culasse du moteur ; - l'orifice de sortie est connecté au compartiment d'expansion par un conduit dont la longueur est inférieure à 35 mm ; - le conduit comprend une section de passage qui s'accroit selon le sens d'écoulement des gaz ; - le système comprend un seul collecteur qui est apte à coopérer avec les cylindres du moteur ; - le système comprend un collecteur pour chaque cylindre du moteur.
L'invention concerne également un moteur comprenant le système d'échappement. L'invention concerne aussi un véhicule comprenant un moteur à combustion interne.30 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence aux figures, réalisé à titre d'exemple indicatif et non limitatif : la figure 1 représente un système d'échappement de l'art antérieur ; la figure 2 est une vue schématique d'un collecteur d'échappement de ce système d'échappement de l'art antérieur ; la figure 3 est une représentation schématique d'un collecteur d'échappement compris dans un système d'échappement selon le mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 est une vue schématique d'une première variante du système d'échappement comportant le collecteur d'échappement relié à un dispositif de récupération des gaz ainsi qu'à une turbine d'un turbocompresseur suivie par un système de post-traitement des gaz d'échappement selon le mode réalisation de l'invention ; la figure 5 est une vue schématique d'une deuxième variante du système d'échappement comportant le collecteur d'échappement relié au dispositif de récupération des gaz ainsi qu'au système de post-traitement des gaz d'échappement suivi par la turbine du turbocompresseur selon le mode réalisation de l'invention ; la figure 6 est une vue schématique d'une troisième variante du système d'échappement comportant le collecteur d'échappement relié au dispositif de récupération des gaz selon le mode réalisation de l'invention ; la figure 7 est une vue schématique d'une quatrième variante du système d'échappement comportant le collecteur d'échappement relié au dispositif de récupération des gaz ainsi qu'au système de traitement des gaz d'échappement selon le mode réalisation de l'invention ; la figure 8 est un vue d'une cinquième variante du système d'échappement comportant deux collecteurs d'échappement reliés à la turbine d'un turbocompresseur suivie par un système de traitement des gaz d'échappement, un des deux collecteurs étant relié au dispositif de récupération des gaz selon le mode réalisation de l'invention, et la figure 9 est une vue schématique d'une sixième variante du système d'échappement comprenant le collecteur d'échappement relié au dispositif de récupération des gaz ainsi qu'au système de traitement des gaz d'échappement suivi par la turbine du turbocompresseur selon le mode réalisation de l'invention. Dans la description, les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens de circulation du flux de gaz d'échappement représenté 15 par les flèches présentes sur les figures 4 à 9. Le système d'échappement selon l'invention est monté en aval d'un moteur à combustion interne comprenant au moins deux cylindres. 20 Dans le mode de réalisation décrit, le système d'échappement est monté sur un moteur deux temps comprenant deux cylindres. Le système d'échappement comprend : - au moins un collecteur d'échappement 10; 25 - une turbine 19 d'un turbocompresseur ; - un système de post-traitement 20 des gaz, et/ou - un dispositif de recirculation 21 des gaz d'échappement. Le collecteur d'échappement 10 est connecté à la turbine 19 du 30 turbocompresseur, au système de post-traitement 20 des gaz, et/ou au dispositif de recirculation 21 des gaz d'échappement.
Ces éléments constituant le système d'échappement forme avec les différents conduits de ce système la ligne d'échappement.
Selon la figure 3, le cylindre comprend au moins une sortie d'échappement des gaz brulés dans une chambre à combustion, l'ouverture et la fermeture de ladite sortie est de manière préférentielle contrôlée par une soupape d'échappement 16a, 16b. Lesdites soupapes d'échappement 16a, 16b sont logées dans une culasse 18 qui est la partie supérieure, le plus souvent démontable, du moteur et qui est apte à fermer le haut de la chambre à combustion des cylindres. Le collecteur d'échappement 10 comprend un compartiment d'expansion 11 de gaz d'échappement comportant une partie avant 17a qui est située en amont du côté du moteur, une partie arrière 17b qui localisé en aval, ces dernières étant reliées par des parties latérales 17c, 17d droite et gauche. Sur la figure 3, le compartiment d'expansion 11 des gaz comprend au niveau de sa partie avant 17a au moins une ouverture d'entrée 12a, 12b connectée de manière adjacente à la au moins une sortie du cylindre c'est-à-dire via un conduit de liaison dont la longueur est la plus courte possible.
Ledit conduit de liaison est formé par un conduit d'échappement creusé dans la culasse et connecté à un conduit d'entrée 14a, 14b du collecteur. Le conduit d'entrée 14a, 14b présente ainsi une longueur L2 qui doit être la plus courte possible afin que l'ouverture d'entrée 12a, 12b du 30 compartiment d'expansion 11 soient agencée au plus près des sorties des cylindres. Dans ce contexte, ce compartiment d'expansion 11 peut alors être agencé en tout ou partie dans la culasse 18 du moteur. Dans ce mode de réalisation, la longueur L2 de ces conduits d'entrée 5 14a, 14b est inférieure à 35 mm, et est de préférence de 20mm. Selon un autre mode de réalisation non représenté, la section de passage des gaz du conduit de liaison formé par la juxtaposition du conduit d'échappement et du conduit d'entrée 14a, 14b croit selon le sens 10 d'échappement des gaz afin de réduire les pertes de charges. Les gaz brulés issus de la chambre de combustion dans le cylindre sont ainsi directement dirigés dans le volume du plénum et ne produisent pas ou peu d'interférences acoustiques comme pour les moteurs 4 temps 15 pour lesquels l'arrivée des gaz dans un volume d'expansion est susceptible de générer une dépression se propageant alors vers les soupapes et réduisant l'efficacité du balayage. Ce compartiment d'expansion 11 a un volume qui est sensiblement supérieur et/ou égal à celui d'une cylindrée unitaire du moteur. Autrement 20 dit, le volume du compartiment d'expansion 11 est alors sensiblement supérieur et/ou égal à celui d'un cylindre. Ledit volume est supérieur au volume minimum nécessaire d'un conduit de raccordement des conduits d'entrée 14a, 14b. 25 Plus précisément, ce volume est compris entre 1 et 4 fois le volume de la cylindrée unitaire, et de préférence 3 fois le volume de cette cylindrée unitaire. Une telle configuration du volume du compartiment d'expansion 11 dans 30 le système d'échappement permet de diminuer voire supprimer les interférences acoustiques. En effet, cette configuration permet au moteur de fonctionner de manière à ce que pendant la phase de balayage de chaque cylindre une pression d'échappement mesurée au niveau de la sortie de chacun de ces cylindres, c'est-à-dire après les soupapes d'échappement 16a, 16b, est inférieure à une pression d'admission mesurée à l'entrée de chaque cylindre, c'est-à-dire après les soupapes d'admission (non représentées), et est sensiblement constante pour que le flux de gaz qui vient du collecteur d'admission traverse chaque cylindre pour ressortir par la sortie de chacun d'entre eux, soit constant.
Ainsi, l'efficacité de l'aérodynamique du balayage est optimale et le collecteur d'échappement 10 ne présente plus d'interférence acoustique c'est-à-dire plus de retour d'ondes qui perturbe balayage des cylindres du fait du volume de son compartiment 11 qui permet une expansion optimale et rapide des gaz d'échappement dès leur sortie des cylindres.
Rappelons que l'on entend par balayage du cylindre, la phase durant laquelle les soupapes d'admission et les soupapes d'échappement 16a, 16b sont ouvertes simultanément de sorte que les collecteurs d'admission et d'échappement 10 communiquent en même temps sur chaque cylindre du moteur. Sur la figure 3, ce compartiment d'expansion 11 de gaz d'échappement comporte également deux ouvertures de sortie 13a, 13b. Une première ouverture de sortie 13a qui est comprise au niveau de la partie arrière 17b du compartiment 11 et une deuxième ouverture de sortie 13b qui est située au niveau d'une 17c des deux parties latérales 17c, 17d de ce compartiment 11. Ces première et deuxième ouvertures de sortie 13a, 13b sont reliées par 30 l'intermédiaire de premier et deuxième conduits de sortie 15a, 15b au dispositif de recirculation 21 des gaz d'échappement, au système de post-traitement 20 des gaz et/ou à la turbine 19 d'un turbocompresseur. Plus précisément, la première ouverture de sortie 13a peut être connectée par l'intermédiaire du premier conduit de sortie 15a : - à la turbine 19 du turbocompresseur à laquelle est relié le système de de post-traitement des gaz d'échappement, conformément à la première variante du système d'échappement visible sur la figure 4; - le système de post-traitement 20 des gaz d'échappement auquel est reliée la turbine 19 du turbocompresseur, conformément à la deuxième variante du système d'échappement visible sur la figure 5; - à une partie de la ligne d'échappement dépourvue du système de post-traitement 20 des gaz d'échappement et de la turbine 19 du turbocompresseur, conformément à la troisième variante du système d'échappement visible sur la figure 6 ; - au seul système de post-traitement 20 conformément à la quatrième variante du système d'échappement visible sur la figure 7, et/ou - au dispositif de recirculation 21 des gaz d'échappement, conformément à la sixième variante du système d'échappement visible sur la figure 9. S'agissant de la deuxième ouverture de sortie 13b, elle peut être 25 connectée par l'intermédiaire du deuxième conduit de sortie 15b : - au dispositif de recirculation 21 des gaz d'échappement, conformément aux première, deuxième, troisième et quatrième variantes du système d'échappement, visible respectivement sur les figures 4, 5, 6, et 7, ou - au système de post-traitement 20 des gaz d'échappement auquel est reliée la turbine 19 du turbocompresseur, conformément à la sixième variante du système d'échappement visible sur la figure 9.
Le système de post-traitement 20 des gaz décrit dans les variantes correspond par exemple à un filtre à particules, un catalyseur d'oxydation ou encore à un piège à oxydes d'azote. Ainsi que nous l'avons vu précédemment, le dispositif de recirculation 21 des gaz du moteur est apte à être relié à la première ouverture de sortie 13a ou encore à la deuxième ouverture de sortie 13b du compartiment d'expansion 11 des gaz d'échappement selon les variantes décrites sur les figures 4 à 7 et 9.
Alternativement, ce dispositif de recirculation 21 des gaz peut être relié à des endroits différents de la ligne d'échappement, par exemple au niveau : - des première, deuxième et sixième variantes, il peut être relié selon le sens de parcours de cette ligne d'échappement par le flux de gaz d'échappement en amont ou en aval de la turbine 19 du turbocompresseur et du système de post-traitement 20 des gaz ; - de la troisième variante, il peut être relié au niveau du premier conduit de sortie 15a, et - de la quatrième variante, il peut être relié en amont ou en aval du système de post-traitement 20 des gaz. Dans ces différentes configurations du dispositif de recirculation 21 dans le système d'échappement visibles en pointillés sur les figures 4 à 7 et 9, le collecteur d'échappement 10 comprend alors un seul conduit de sortie. Dans les variantes illustrées aux figures 4, 5, 6, 7, il s'agit du premier conduit de sortie 15a, et dans la variante illustrée sur la figure 9, il s'agit du deuxième conduit de sortie 15b.
Ce dispositif de recirculation 21 comprend une vanne EGR (acronyme de « Exhaust gas recirculation » qui signifie en « Recyclage des Gaz d'Echappement ») fermant ou ouvrant un conduit reliant le collecteur d'échappement 10 et le collecteur d'admission (non représenté). La vanne EGR est pilotée de façon à doser la quantité des gaz d'échappement admis à recirculer suivant les conditions de fonctionnement du moteur. Un tel dispositif de recirculation 21 permet de réduire des oxydes d'azote 10 NOx, qui forment avec les hydrocarbures imbrûlés HC et le monoxyde de carbone CO les principaux polluants émis par le moteur. Dans la cinquième variante du système d'échappement visible sur la figure 8, ce système comprend un collecteur d'échappement 10 par 15 cylindre, dans ce mode de réalisation, il comprend deux collecteurs d'échappement 10. Chaque collecteur 10 est relié au cylindre à partir du conduit d'entrée 14a, 14b. Le compartiment d'expansion 11 de chaque collecteur 10 a un volume qui est sensiblement supérieur et/ou égal à celui d'une cylindrée unitaire du moteur. 20 Dans cette cinquième variante chaque collecteur 10 a le conduit de sortie 15a qui relié à la turbine 19 turbocompresseur à laquelle est connecté le système de post-traitement 20. Seul un des deux collecteurs 10 comprend un deuxième conduit de sortie 15b qui est connecté au 25 dispositif de recirculation 21 de gaz. Dans cette variante, le dispositif de recirculation 21 de gaz peut alternativement être relié en amont ou aval de la turbine 19 et du système de post-traitement 20, visible en pointillés sur la figure 8.
On notera que dans cette cinquième variante, le système de post-traitement 20 peut être agencé avant la turbine 19 au niveau de la ligne d'échappement.
La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été explicitement décrit, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Système d'échappement pour moteur à combustion interne deux temps pourvu d'au moins deux cylindres, chaque cylindre 5 comportant au moins une sortie d'échappement contrôlée par une soupape (16a, 16b), le système comportant au moins un collecteur d'échappement (10) caractérisé en ce que ledit au moins un collecteur (10) comprend un compartiment d'expansion (11) de gaz présentant un volume sensiblement supérieur et/ou égal à celui d'un cylindre et 10 adjacent à la sortie d'échappement.
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un collecteur (10) est agencé en tout ou partie dans la culasse (18) du moteur. 15
  3. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice de sortie est connecté au compartiment d'expansion (11) par un conduit (14a, 14b) dont la longueur est inférieure à 35 mm. 20
  4. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit (14a, 14b) comprend une section de passage qui s'accroit selon le sens d'écoulement des gaz
  5. 5. Système selon la revendication précédente, caractérisé en 25 ce qu'il comprend un seul collecteur (10) qui est apte à coopérer avec les cylindres du moteur.
  6. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un collecteur (10) pour chaque cylindre du moteur. 30
  7. 7. Moteur comprenant un système d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  8. 8. Véhicule comprenant un moteur à combustion interne selon la revendication précédente.
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