FR2727466A1 - I.C. engine manifold for connecting exhaust pipe inlet to outlet of exhaust passages in cylinder head - Google Patents
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Abstract
Description
COLLECTEUR D'ECHPPEMENT POUR MOTEUR A
COMBUSTION INTERNE
La présente invention se rapporte à un collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne destiné notamment à équiper un véhicule automobile.EXHAUST MANIFOLD FOR A MOTOR
INTERNAL COMBUSTION
The present invention relates to an exhaust manifold for an internal combustion engine intended in particular to equip a motor vehicle.
Les moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles sont généralement munis de circuits d'échappement destinés à traiter les gaz brûlés avant leur rejet à l'atmosphère. Ces circuits comprennent classiquement une ligne d'échappement s'étendant principalement sous le véhicule, formée notamment de tubes, de pots de détente et de silencieux, ainsi qu'un collecteur fixé à la culasse du moteur et destiné à réunir l'entrée de la ligne d'échappement aux ouvertures de sorties des différents conduits d'échappement agencés dans la culasse. The internal combustion engines fitted to motor vehicles are generally provided with exhaust circuits intended to treat the burnt gases before their rejection to the atmosphere. These circuits conventionally include an exhaust line extending mainly under the vehicle, formed in particular of tubes, expansion pots and mufflers, as well as a manifold fixed to the cylinder head of the engine and intended to bring together the inlet of the exhaust line at the outlet openings of the various exhaust ducts arranged in the cylinder head.
Les collecteurs d'échappement équipant les moteurs à combustion interne de véhicule automobile sont traditionnellement conçus de manière à assurer un bon compromis entre les performances du moteur, l'encombrement dans le compartiment moteur du véhicule, la durabilité et les coûts de production en grande série. The exhaust manifolds fitted to internal combustion engines of a motor vehicle are traditionally designed so as to ensure a good compromise between engine performance, space in the engine compartment of the vehicle, durability and mass production costs. .
Les impératifs de réduction de la pollution émise par les moteurs ont amené les constructeurs automobiles à utiliser des pots catalytiques disposés en tête de la ligne d'échappement pour bénéficier au mieux de la chaleur de gaz brûlés. En effet, le rendement des pots catalytiques, c'est-àdire le taux de gaz brûlés dépollués, dépend fortement de la température des gaz brillés les traversant. The imperatives of reducing the pollution emitted by the engines have led car manufacturers to use catalytic converters placed at the head of the exhaust line to benefit as much as possible from the heat of burnt gases. In fact, the efficiency of the catalytic converters, that is to say the rate of clean-up burnt gases, strongly depends on the temperature of the burnt gases passing through them.
La seule disposition du pot catalytique en tête de ligne d'échappement s'avère toutefois insuffisante pour obtenir des gaz brûlés suffisamment chauds en toute circonstance et notamment lors des démarrages à froid suivis de fonctionnements à faibles charges (fréquents en circulation urbaine). I1 est donc apparu nécessaire de modifier la conception même des collecteurs d'échappement de façon à limiter au maximum la chute de la température des gaz brûlés entre les sorties culasse et l'entrée catalyseur. The only provision of the catalytic converter at the head of the exhaust line proves however insufficient to obtain sufficiently hot burnt gases in all circumstances and in particular during cold starts followed by operations at low loads (frequent in urban traffic). I1 therefore appeared necessary to modify the very design of the exhaust manifolds so as to limit as much as possible the drop in the temperature of the burnt gases between the cylinder head outlets and the catalyst inlet.
De nombreuses solutions techniques ont ainsi été développées pour réduire les pertes thermiques des gaz d'échappement traversant les collecteurs d'échappement et notamment en calorifugeant ces derniers, on peut ainsi citer le document JP 61-215.415 qui divulgue un collecteur présentant un revêtement intérieur des conduits à base de fibres céramiques isolantes. Les solutions connues ont toutefois pour inconvénients d'être coûteuses à réaliser et de présenter par ailleurs des risques pour la tenue des pots catalytiques notamment lors des fonctionnements à fortes charges.En effet, lors des fonctionnements à fortes charges les gaz brûlés insuffisamment refroidis lors de la traversée de collecteurs ainsi isolés, pénètrent dans les pots catalytiques avec des températures particulièrement élevées susceptibles d'entratner la destruction rapide des revêtements catalytiques. Numerous technical solutions have thus been developed to reduce the thermal losses of the exhaust gases passing through the exhaust manifolds and in particular by insulating the latter, we can thus cite the document JP 61-215.415 which discloses a manifold having an inner coating of ducts based on insulating ceramic fibers. However, the known solutions have the drawbacks of being expensive to produce and of presenting, moreover, risks for the holding of the catalytic converters, in particular during high-load operations. Indeed, during high-load operations the burnt gases insufficiently cooled during the passage of collectors thus isolated, penetrate into the catalytic converters with particularly high temperatures liable to cause the rapid destruction of the catalytic coatings.
La présente invention a donc pour but de réaliser un collecteur d'échappement présentant peu de pertes thermiques essentiellement lors des fonctionnements à faibles charges et qui soit simple et économique à réaliser. The present invention therefore aims to achieve an exhaust manifold having little heat loss mainly during operations at low loads and which is simple and economical to achieve.
Le collecteur d'échappement selon l'invention est destiné à équiper un moteur à combustion interne multicylindre et plus particulièrement à réunir l'entrée d'une ligne d'échappement aux ouvertures de sortie d'une pluralité de conduits d'échappement agencés dans la culasse du moteur. The exhaust manifold according to the invention is intended to equip a multi-cylinder internal combustion engine and more particularly to join the inlet of an exhaust line to the outlet openings of a plurality of exhaust ducts arranged in the engine cylinder head.
Selon l'invention, le collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne est caractérisé en ce qu'il comprend un bottier oblong présentant une vaste cavité intérieure dans laquelle peuvent librement circuler les gaz brûlés entre d'une part une pluralité de passages d'entrée ménagés à travers une paroi latérale du boîtier et destinés à être positionnés en correspondance avec les ouvertures de sortie des conduits d'échappement ménagés dans la culasse et d'autre part une unique ouverture de sortie destinée à être raccordée à la ligne d'échappement. According to the invention, the exhaust manifold for an internal combustion engine is characterized in that it comprises an oblong case having a large internal cavity in which the burnt gases can freely circulate between on the one hand a plurality of passages of inlet formed through a side wall of the housing and intended to be positioned in correspondence with the outlet openings of the exhaust ducts formed in the cylinder head and on the other hand a single outlet opening intended to be connected to the exhaust line .
Selon une autre caractéristique du collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la cavité présente une section transversale supérieure à au moins quatre fois la section de l'un quelconque des passages d'entrée. According to another characteristic of the exhaust manifold for internal combustion engine object of the invention, the cavity has a cross section greater than at least four times the section of any of the inlet passages.
Selon une autre caractéristique du collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la paroi latérale à travers laquelle sont ménagés les passages forme une bride de fixation du bottier pour son montage sur la culasse. According to another characteristic of the exhaust manifold for an internal combustion engine which is the subject of the invention, the side wall through which the passages are formed forms a clamp for fixing the shoemaker for its mounting on the cylinder head.
Selon une autre caractéristique du collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, l'ouverture de sortie du bottier est ménagée au voisinage de l'une des extrémités longitudinales de ce dernier. According to another characteristic of the exhaust manifold for an internal combustion engine object of the invention, the outlet opening of the case is formed in the vicinity of one of the longitudinal ends of the latter.
Selon une autre caractéristique du collecteur d'échaplpement pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la section transversale de la cavité intérieure du bottier évolue en augmentant progressivement entre l'extrémité longitudinale opposée à l'extrémité où est ménagée ladite ouverture de sortie et cette dernière. According to another characteristic of the exhaust manifold for an internal combustion engine object of the invention, the cross section of the interior cavity of the shoemaker evolves progressively increasing between the longitudinal end opposite the end where said outlet opening is formed and the latter.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description exposée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels
la figure 1 représente une vue en perspective axonométrique d'un collecteur d'échappement selon l'invention placé en contact de la culasse d'un moteur à combustion interne ;
la figure 2 est une vue partielle du collecteur en coupe selon la ligne II-II de la figure 1.The aims, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the description set out below of an embodiment of the invention, given by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings, wherein
FIG. 1 represents an axonometric perspective view of an exhaust manifold according to the invention placed in contact with the cylinder head of an internal combustion engine;
FIG. 2 is a partial view of the collector in section along line II-II of FIG. 1.
Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Par ailleurs, les mêmes éléments portent les mêmes références d'une figure à l'autre. Only the elements necessary for understanding the invention have been shown. Furthermore, the same elements have the same references from one figure to another.
Conformément aux figures 1 à 2, le collecteur d'échappement référencé 2 est monté sur un moteur à combustion interne pour véhicule automobile, du type multicylindre à allumage commandé ou à allumage par compression, dont seule la culasse 1 a été représentée. In accordance with Figures 1 to 2, the exhaust manifold referenced 2 is mounted on an internal combustion engine for a motor vehicle, of the multicylinder type with spark ignition or with compression ignition, of which only the cylinder head 1 has been shown.
La culasse 1, destinée à recouvrir le bloccylindres dans lequel sont montés plusieurs pistons qui coulissent dans des alésages cylindriques correspondants, est classiquement percée de conduits encore appelés pipes 12 pour notamment permettre l'échappement des gaz brûlés. The cylinder head 1, intended to cover the cylinder blocks in which are mounted several pistons which slide in corresponding cylindrical bores, is conventionally pierced with conduits also called pipes 12 to in particular allow the exhaust of the burnt gases.
Ces pipes d'échappement 12 s'étendent sensiblement transversalement à travers la culasse 1 pour déboucher d'une part sur l'une des faces au collecteur 2 et d'autre part, dans les chambres de combustion agencées sur la face inférieure de la culasse par des orifices que viennent obturer des soupapes à tige actionnées par des cames de commande. These exhaust pipes 12 extend substantially transversely through the cylinder head 1 to open on the one hand on one of the faces to the manifold 2 and on the other hand, in the combustion chambers arranged on the underside of the cylinder head by orifices which are closed by stem valves actuated by control cams.
Le circuit d'échappement des gaz brûlés du moteur se prolonge à la sortie du collecteur d'échappement 2 par une ligne d'échappement s'étendant principalement sous le véhicule et en tête de laquelle est placé un pot catalytique non figuré. The exhaust circuit of the burnt gases from the engine is extended at the outlet of the exhaust manifold 2 by an exhaust line extending mainly under the vehicle and at the head of which is placed a catalytic converter, not shown.
Le collecteur d'échappement 2 est constitué essentiellement par un bottier oblong 5 venant se fixer sur la culasse 1, ce bottier définissant une large cavité intérieure 6, à l'intérieur de laquelle circulent librement les gaz brûlés entre une pluralité de passages d'entrée 32 disposés régulièrement sur toute la longueur du boftier 5 en correspondance avec les ouvertures de sortie des pipes d'échappement 12, et une unique ouverture de sortie 7 formée par exemple à l'une des extrémités longitudinales du bottier 5, cette ouverture de sortie 7 étant destinée à être raccordée à la ligne d'échappement par l'intermédiaire d'un embout adapté. The exhaust manifold 2 is essentially constituted by an oblong case 5 which is fixed on the cylinder head 1, this case defining a large internal cavity 6, inside which the burnt gases circulate freely between a plurality of inlet passages 32 arranged regularly over the entire length of the boftier 5 in correspondence with the outlet openings of the exhaust pipes 12, and a single outlet opening 7 formed for example at one of the longitudinal ends of the shoemaker 5, this outlet opening 7 being intended to be connected to the exhaust line via a suitable nozzle.
Ce boîtier 5, obtenu par fonderie ou bien encore réalisé à partir de tôles d'acier mécanosoudées, présente une paroi latérale plane 3 formant bride de fixation qui destinée à venir en appui contre la face échappement de la culasse 1 avec interposition d'un joint d'étanchéité 4. This housing 5, obtained by foundry or else made from mechanically welded steel sheets, has a flat side wall 3 forming a fixing flange which is intended to come into abutment against the exhaust face of the cylinder head 1 with the interposition of a seal sealing 4.
La paroi 3 du bottier 5 présente d'une part dans sa partie centrale des passages 32 pour la circulation des gaz brûlés régulièrement disposés pour venir en correspondance avec les ouvertures de sortie des pipes d'échappement 12 portées de la culasse 1 et d'autre part à sa périphérie des oeilletons pour le passage des vis de fixation non figurées dont les extrémités filetées sont reçues dans des trous taraudés correspondants de la culasse. The wall 3 of the shoemaker 5 has on the one hand in its central part passages 32 for the circulation of the burnt gases regularly arranged to come into correspondence with the outlet openings of the exhaust pipes 12 carried by the cylinder head 1 and on the other share at its periphery the eyelets for the passage of the fixing screws, not shown, the threaded ends of which are received in corresponding tapped holes in the cylinder head.
Les passages 32 peuvent être de section constante sur toute l'épaisseur de la paroi 3 ou bien encore être de section évolutive, par exemple évasée selon un angle de cône compris entre 50 et 100 et ce, pour faciliter l'écoulement des gaz d'échappement en limitant les pertes de charge. The passages 32 can be of constant section over the entire thickness of the wall 3 or even be of evolving section, for example flared at a cone angle of between 50 and 100, to facilitate the flow of the gases. exhaust by limiting the pressure losses.
L'épaisseur de la paroi 3, qui est de l'ordre de quelques millimètres, est déterminée suivant le matériau utilisé pour offrir la résistance mécanique souhaitée.The thickness of the wall 3, which is of the order of a few millimeters, is determined according to the material used to provide the desired mechanical strength.
La cavité 6 définissant un vaste volume libre pour l'écoulement des gaz brûlés est dimensionnée de ' façon à ce que la section transversale, s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal définissant la direction d'écoulement moyen, soit grande devant le diamètre hydraulique des passages 32. The cavity 6 defining a large free volume for the flow of the burnt gases is dimensioned so that the cross section, extending perpendicular to the longitudinal axis defining the mean flow direction, is large in front of the hydraulic diameter passages 32.
De préférence, le rapport des surfaces hydrauliques entre respectivement la section transversale de la cavité 6 et la section d'un des passages 32 est choisi supérieur à 4. De préférence également, la section transversale de la cavité 6 évolue en augmentant progressivement entre l'extrémité longitudinale opposée à l'extrémité où est ménagée l'ouverture de sortie et cette dernière. Preferably, the ratio of the hydraulic surfaces respectively between the cross section of the cavity 6 and the section of one of the passages 32 is chosen to be greater than 4. Preferably also, the cross section of the cavity 6 evolves progressively increasing between the longitudinal end opposite the end where the outlet opening and the latter is formed.
Les dimensions de la cavité 6 sont choisies, après calculs et mesures au banc d'essai, d'autant plus importantes que le nombre des cylindres du moteur raccordés audit collecteur 2 est grand ou encore que la cylindrée est élevée. The dimensions of the cavity 6 are chosen, after calculations and measurements on the test bench, the more important the greater the number of engine cylinders connected to said manifold 2 or the greater the displacement.
Par ailleurs, les dimensions de l'ouverture de sortie 7 sont choisies aussi importantes que possible compte tenu des contraintes d'implantation dans le compartiment moteur du véhicule.Furthermore, the dimensions of the outlet opening 7 are chosen to be as large as possible, taking account of the installation constraints in the engine compartment of the vehicle.
Le collecteur 2 objet de l'invention permet donc faire transiter les gaz brûlés issus des différentes pipes d'échappement 12 du moteur directement dans une cavité 6 dont la section est grande devant la section hydraulique des pipes 12 et ce, grâce à des passages de transfert 32 de longueurs extrêmement faibles puisque réduites à la seule épaisseur de la paroi latérale 3 du bottier 5 à travers laquelle ils sont ménagés. The manifold 2 which is the subject of the invention therefore makes it possible to pass the burnt gases coming from the various exhaust pipes 12 of the engine directly into a cavity 6, the section of which is large in front of the hydraulic section of the pipes 12, thanks to passages of transfer 32 of extremely short lengths since they are reduced to the sole thickness of the side wall 3 of the shoemaker 5 through which they are formed.
Cette configuration originale a pour effet notamment de réduire d'une part, la surface de paroi au contact des gaz brûlés et d'autre part, la vitesse d'écoulement de ces derniers, ce qui permet de réduire singulièrement le refroidissement des gaz brûlés 1 notamment lors des fonctionnements à faibles charges où l'incidence de ces paramètres s'avèrent primordiaux sur les échanges thermiques. This original configuration has the effect in particular of reducing on the one hand, the wall surface in contact with the burnt gases and on the other hand, the flow speed of the latter, which makes it possible to reduce considerably the cooling of the burnt gases 1 especially during low load operations where the impact of these parameters is essential on heat exchanges.
Par contre lors des fonctionnements à fortes charges, l'effet réducteur de vitesse de cette configuration s'atténue ce qui permet alors d'obtenir un bon refroidissement thermique des gaz nécessaire à la tenue du pot catalytique s'étendant en aval du collecteur 2. Ce refroidissement à fortes charges peut être encore renforcé en ayant recours par exemple à des matériaux à forts coefficients thermiques pour la réalisation des parois du bottier 5 ou encore en munissant ces dernières d'ailettes de refroidissement, sans que cela n'augmente les pertes thermiques des gaz brûlés lors des fonctionnements à faibles charges. On the other hand, during high-load operations, the speed reducing effect of this configuration is attenuated, which then makes it possible to obtain good thermal cooling of the gases necessary for holding the catalytic converter extending downstream of the manifold 2. This cooling at high loads can be further reinforced by using, for example, materials with high thermal coefficients for producing the walls of the boot 5 or even by providing the latter with cooling fins, without this increasing the heat losses. burnt gases during low load operations.
Par ailleurs, le volume important de la cavité 6 permet d'amortir fortement les pulsations affectant les débits des gaz brûlés issus de chacune des pipes d'échappement, il en résulte donc une absence quasi totale d'interaction des cylindres entre eux, favorisant la puissance du moteur. Furthermore, the large volume of the cavity 6 makes it possible to strongly dampen the pulsations affecting the flow rates of the burnt gases coming from each of the exhaust pipes, this therefore results in an almost total absence of interaction of the cylinders with each other, promoting the engine power.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Of course, the invention is in no way limited to the embodiment described and illustrated, which has been given only by way of example.
Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. On the contrary, the invention includes all the technical equivalents of the means described and their combinations if these are carried out according to the spirit.
Ainsi, le positionnement de l'ouverture de sortie 7 du bottier 5 n'est pas limité au seul voisinage de l'une ou l'autre des extrémités longitudinale de ce dernier, cette ouverture 7 peut donc peut être localisée soit, dans la partie médiane soit encore, dans la partie inférieure du boitier 5. Thus, the positioning of the outlet opening 7 of the boot 5 is not limited to the sole vicinity of one or other of the longitudinal ends of the latter, this opening 7 can therefore be located either in the part middle or still, in the lower part of the case 5.
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1994
- 1994-11-25 FR FR9414137A patent/FR2727466B1/en not_active Expired - Fee Related
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