WO2013107979A1 - Collecteur d'échappement et organe d'échappement comportant un tel collecteur - Google Patents

Collecteur d'échappement et organe d'échappement comportant un tel collecteur Download PDF

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Hanan Kharkhour
Pascal Archer
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    • F01N2470/12—Tubes being corrugated

Definitions

  • the invention relates to an exhaust manifold provided to reduce the duration of operation of an exhaust gas treatment system for an internal combustion engine. It also relates to an exhaust member comprising such a collector.
  • An internal combustion engine has one or more combustion chambers from which exhaust gas escapes intermittently.
  • the exhaust gases are channeled through an exhaust manifold to evacuate to the proper location and reduce the noise generated by the engine.
  • the exhaust system also frequently comprises the turbine of a turbocharger followed by a gas treatment system to depollute them.
  • a treatment system commonly comprises at least one of a particulate filter, an oxidation catalyst or a nitrogen oxide trap.
  • the exhaust manifold is frequently made of cast iron, as well as the turbine housing for the turbocharger. These elements are therefore massive, so that when starting the engine from the ambient temperature, the rise in temperature is long. But standards pollution abatement require a priming of the depollution system increasingly shorter, and this priming time depends essentially on the rise in temperature of the gas and the treatment system.
  • Document FR 2 924 467 proposes an exhaust manifold made by a double sheet metal wall. This solution makes it possible to reduce the thermal inertia of the wall in contact with the exhaust gases, so that the gases arriving at the inlet of the pollution control system are at a temperature suitable for priming faster than in classic solutions. This increase in temperature is due to the lower inertia of the wall in contact with the gas and the thermal insulation provided by the doubling.
  • the aim of the invention is to provide an exhaust manifold for obtaining a priming of the pollution control system in a reduced time.
  • the subject of the invention is an exhaust manifold for an internal combustion engine, comprising at least one channel, the channel comprising an inlet intended to be connected to an outlet of a combustion chamber of the engine.
  • the channel having an internal conduit for directly conducting the exhaust and an outer shell surrounding the inner conduit, characterized in that the inner conduit further comprises a catalytic block occupying the entire section of the inner conduit, the inner conduit having at least one upstream bellows or a bellows downstream on either side of the catalytic block.
  • the insertion of a catalytic block in the exhaust manifold makes it possible to place it closer to the combustion chamber, and thus to benefit from the hottest exhaust gases.
  • the catalytic block can therefore come into operation very quickly after starting the engine, and thus reduce the emission of pollutants, these being treated by the catalytic block.
  • the construction of the collector in double skin makes it possible to reduce the mass of this one and the thermal losses through the wall.
  • the gases that exit are faster at high temperature, which also makes it possible to operate a gas treatment device downstream of the collector more quickly after starting the engine.
  • the dynamics of the gas temperature also benefits from the supply of calories during the activation of the catalytic block, when it is for example an oxidation catalyst.
  • the bellows can absorb significant differential expansions between the inner conduit and the envelope. It thus avoids mechanical stresses in the internal duct.
  • the catalytic block comprises a catalytic bread wrapped by a first tube, the first tube forming a portion of the inner conduit.
  • the catalytic block is generally consists of a bread, namely a porous body on the pore surface of which catalytic metals are deposited. This bread is mounted in the first tube which thus serves both to support the catalytic bread and conduit for the gases.
  • the tube is connected to the bellows by a continuous circular weld.
  • the bellows is constructed distinctly from the first tube and is then welded together with it.
  • the first tube is centered in the outer casing by at least one washer fitted on the tube.
  • a second washer can be provided to ensure even better centering.
  • the outer casing has a second tube coaxial with the first tube, the washer is welded to the first and second tube.
  • the position of the catalytic block is thus fixed.
  • a sleeve of insulating material connects the first tube to the outer casing.
  • the sleeve here provides centering, in addition to thermal insulation. The thermal insulation improves the rate of temperature rise of the catalytic block.
  • the manifold comprises several channels joining to a downstream orifice in a downstream part of the internal conduit.
  • This arrangement is adapted to a multi-combustion chamber engine.
  • the catalytic block is located either on the downstream part of the duct, or in at least one of the channels upstream of the downstream part.
  • all the gases pass through the catalytic block and are treated with it.
  • the second provision requires one block per room, or does not treat all the gases.
  • the invention also relates to an exhaust member characterized in that it comprises a collector as described above and a turbine casing in the extension of the inner conduit opposite the inlet.
  • Figure 1 is a sectional view of a collector according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a view similar to FIG. 1 according to a second embodiment of FIG.
  • Figure 3 is a schematic view of a motorization system comprising a collector according to a first arrangement
  • FIG. 1 An exhaust manifold 2 according to a first embodiment of the invention is partially shown in FIG. 1 and schematically in a drive system in FIG.
  • the exhaust manifold 2 is mounted on a drive system comprising a combustion internal combustion engine 1 with four combustion chambers 10, a turbocharger 3 and an exhaust gas treatment system 4.
  • An intake circuit is provided for supplying air to the combustion chambers 10.
  • the circuit passes through the compressor 31 of the turbocharger 3 and through an intake manifold 6 which is divided into four inlet channels 60 connected respectively to one of the combustion chambers 10.
  • An exhaust system collects the exhaust gases to evacuate to the outside.
  • the exhaust circuit comprises the exhaust manifold 2 connected to the turbine 30 of the turbocharger 3, the treatment device comprising a nitrogen oxide trap unit or an oxidation catalyst 41 followed by a filter unit. particles 42.
  • a recycle valve 5 is provided between the exhaust circuit and the intake circuit. Such a system is known per se and the function of these different elements is not detailed here.
  • the exhaust manifold 2 comprises four channels 20, each being respectively in aeraulic communication with one of the combustion chambers 10.
  • the channels 20 meet in one downstream part 21 to a downstream port to which the turbine is connected.
  • each channel 20 comprises a catalytic block 201, according to the invention.
  • the structure of a channel 20 is described in connection with FIG. 1.
  • the exhaust manifold 2 comprises an internal duct 22 surrounded by an outer casing 23.
  • a first bellows 205 is placed upstream of the catalytic block 201 while a second bellows 206 is placed downstream.
  • the catalytic block 201 comprises a first tube 2010 surrounding a catalytic bread 2011 which occupies the entire section of the first tube 2010.
  • the first tube 2010 is in the extension of the bellows 205, 206 to which it is connected by a circular weld 208.
  • the bellows 205 , 206 are made for example by hydroforming steel tubes.
  • the outer casing 23 comprises a second tube 202.
  • Two washers 204 are interposed between the first and the second tube 201, 202 so as to form centering spacers of the first tube 201 in the second tube 202.
  • the washers 204 are welded on the first and the second tube 202.
  • the second tube 202 is also connected by continuous welding 207 to the rest of the 1 'outer shell 23.
  • each catalytic block 201 receives the exhaust gas from the respective combustion chamber 10. During the cold start of the engine 1, each catalytic block 201 receives the exhaust gas at the outlet of the combustion chamber 10, so at the highest possible temperature.
  • the catalytic blocks 201 therefore come into operation very quickly and begin to treat the gases even before the thermal equilibrium is reached. Even if the catalytic block is fixed relative to the casing, the bellows on either side of the block allow the inner duct to expand without imposing significant stress.
  • a single catalytic block 201b is placed in the downstream part 21b of the exhaust manifold 2b, just upstream of the turbine 30.
  • This catalytic block 201b thus sees all the gases passing through. exhaust which are all treated with this single catalyst block 201b.
  • the temperature increase of the catalytic block 201b is slower than in the previous case, since the internal duct 22 of the exhaust manifold 2b must be heated, but it can, however, be satisfactory. It is anyway faster than in the case of a cast iron exhaust manifold, because of the realization in double envelope.
  • the first tube 2010 ' is not connected by washers to the second tube 202': it is simply fitted into the second tube 202 'by the intermediate of a sleeve 209 of insulating material, for example ceramic fibers.
  • insulating material for example ceramic fibers.
  • the insulator is slidably mounted in the second tube 202 ', which allows a sliding of the first tube 2010' relative to the second 202 '.
  • the invention is not limited to the embodiments which have just been described by way of examples. It can be applied to engines with fewer or more combustion chambers.
  • the channels could be grouped in pairs to feed the same catalytic block before the final regrouping of all the channels.

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Description

Collecteur d'échappement et organe d'échappement comportant un tel collecteur.
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un collecteur d'échappement prévu afin de réduire la durée la mise en fonctionnement d'un système de traitement des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne. Elle concerne également un organe d'échappement comportant un tel collecteur.
TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un moteur thermique à combustion interne comporte une ou plusieurs chambres de combustion de laquelle s'échappent par intermittence des gaz d'échappements. Les gaz d'échappement sont canalisés par un collecteur d'échappement 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 la turbine d'un turbocompresseur suivi par un système de traitement des gaz afin de dépolluer ceux-ci. Un tel système de traitement comporte couramment au moins l'un des dispositifs parmi un filtre à particules, un catalyseur d'oxydation ou un piège à oxydes d'azote.
Le collecteur d'échappement est fréquemment réalisé en fonte moulée, ainsi que le carter de turbine pour le turbocompresseur. Ces éléments sont donc massifs, de telle sorte que lors de la mise en route du moteur à partir de la température ambiante, la montée en température est longue. Or, les normes de dépollution imposent un amorçage du système de dépollution de plus en plus court, et cette durée d'amorçage dépend essentiellement de la montée en température des gaz et du système de traitement. On a proposé dans le document FR 2 924 467 un collecteur d'échappement réalisé par une double paroi en tôle. Cette solution permet de diminuer l'inertie thermique de la paroi en contact avec les gaz d'échappement, de telle sorte que les gaz qui arrivent à l'entrée du système de dépollution sont à une température adéquate pour l'amorçage plus rapidement que dans les solutions classiques. Cette augmentation de température tient au fait de la plus faible inertie de la paroi en contact avec les gaz et à l'isolation thermique procurée par le doublage.
Cependant, cette solution s'avère encore insuffisante à l'égard des nouvelles normes.
OBJECTIFS DE L'INVENTION
L' invention vise à fournir un collecteur d'échappement permettant d'obtenir un amorçage du système de dépollution dans un temps réduit.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un collecteur d'échappement pour un moteur à combustion interne, comportant au moins un canal, le canal comportant une entrée destinée à être reliée à une sortie d'une chambre de combustion du moteur, le canal comportant un conduit interne destiné à conduire directement les gaz d'échappement et une enveloppe externe entourant le conduit interne, caractérisé en ce que le conduit interne comporte en outre un bloc catalytique occupant toute la section du conduit interne, le conduit interne comportant au moins un soufflet amont ou un soufflet aval de part et d'autre du bloc catalytique.
L'insertion d'un bloc catalytique dans le collecteur d'échappement permet de placer celui-ci au plus près de la chambre de combustion, et donc de bénéficier des gaz d'échappement les plus chauds. Le bloc catalytique peut donc entrer en fonction très rapidement après la mise en route du moteur, et donc réduire l'émission de polluants, ceux-ci étant traités par le bloc catalytique. De plus, la construction du collecteur en double peau permet de diminuer la masse de celui-ci et les pertes thermiques à travers la paroi. Les gaz qui en sortent sont plus rapidement à haute température, ce qui permet de mettre en fonction également un dispositif de traitement des gaz en aval du collecteur plus rapidement après la mise en route du moteur. La dynamique de la température des gaz bénéficie également de l'apport de calories lors de la mise en fonction du bloc catalytique, lorsque celui-ci est par exemple un catalyseur d'oxydation. Le soufflet permet d'absorber des dilatations différentielles importantes entre le conduit interne et l'enveloppe. Il évite ainsi des contraintes mécaniques dans le conduit interne.
Selon une disposition constructive, le bloc catalytique comporte un pain catalytique enveloppé par un premier tube, le premier tube formant une partie du conduit interne. Le bloc catalytique est généralement constitué d'un pain, à savoir un corps poreux à la surface des pores duquel des métaux catalytiques sont déposés. Ce pain est monté dans le premier tube qui sert ainsi à la fois de support du pain catalytique et de conduit pour les gaz.
De manière particulière, le tube est raccordé au soufflet par une soudure circulaire continue. Le soufflet est construit de manière distincte du premier tube, puis est assemblé avec lui par soudure, de manière étanche.
Selon un premier mode de construction, le premier tube est centré dans l'enveloppe externe par au moins une rondelle emmanchée sur le tube. On peut prévoir une deuxième rondelle pour assurer un centrage encore meilleur.
De manière particulière, l'enveloppe externe comporte un deuxième tube coaxial au premier tube, la rondelle est soudée au premier et au deuxième tube. La position du bloc catalytique est ainsi fixée. Selon un deuxième mode de construction, un manchon en matière isolante relie le premier tube à l'enveloppe externe. Le manchon assure ici le centrage, en plus d'une isolation thermique. L' isolation thermique améliore la rapidité de montée en température du bloc catalytique.
Selon une disposition, le collecteur comporte plusieurs canaux se réunissant vers un orifice aval en une partie aval du conduit interne. Cette disposition est adaptée à un moteur à plusieurs chambres de combustion. Dans cette disposition, le bloc catalytique est situé soit sur la partie aval du conduit, soit dans au moins l'un des canaux en amont de la partie aval. Dans le premier cas, l'ensemble des gaz traverse le bloc catalytique et est traité par celui-ci. Cependant, il n'est pas au plus près de la sortie des chambres de combustion, contrairement au deuxième cas. La deuxième disposition nécessite un bloc par chambre, ou ne traite pas l'ensemble des gaz. L'invention a aussi pour objet un organe d'échappement caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur tel que décrit précédemment et un carter de turbine dans le prolongement du conduit interne à l'opposé de l'entrée.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels :
la figure 1 est une vue en coupe d'un collecteur conforme à un premier mode de réalisation de 1 ' invention ;
la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation de
1 ' invention ;
la figure 3 est une vue schématique d'un système de motorisation comportant un collecteur selon une première disposition ;
- les figures 4 à 6 sont des vues similaires à la figure 3 selon d'autres dispositions. DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Un collecteur d'échappement 2 conforme à un premier mode de réalisation de l'invention est montré partiellement sur la figure 1 et de manière schématique dans un système de motorisation sur la figure 3.
Le collecteur d'échappement 2 est monté sur un système de motorisation comportant un moteur 1 thermique à combustion interne à quatre chambres de combustion 10, un turbocompresseur 3 et un système de traitement 4 des gaz d'échappement. Un circuit d'admission est prévu pour amener de l'air aux chambres de combustion 10. Le circuit passe par le compresseur 31 du turbocompresseur 3 et par un collecteur d'admission 6 qui se divise en quatre canaux d'admission 60 reliés respectivement à l'une des chambres de combustion 10. Un circuit d'échappement récolte les gaz d'échappement pour les évacuer vers l'extérieur. Le circuit d'échappement comporte le collecteur d'échappement 2 connecté à la turbine 30 du turbocompresseur 3, le dispositif de traitement comportant une unité de piège à oxyde d'azote ou un catalyseur d'oxydation 41 suivi d'une unité de filtre à particules 42. Une vanne de recyclage 5 est prévue entre le circuit d'échappement et le circuit d'admission. Un tel système est connu en soi et la fonction de ces différents éléments n'est pas détaillée ici.
Le collecteur d'échappement 2 comporte quatre canaux 20, chacun étant respectivement en communication aéraulique avec l'une des chambres de combustion 10. Les canaux 20 se rejoignent en une partie aval 21 vers un orifice aval auquel la turbine est connectée.
Dans la disposition de la figure 3, chaque canal 20 comporte un bloc catalytique 201, conformément à l'invention. La structure d'un canal 20 est décrite en lien avec la figure 1. Le collecteur d'échappement 2 comporte un conduit interne 22 entouré d'une l'enveloppe externe 23. Un premier soufflet 205 est placé en amont du bloc catalytique 201 tandis qu'un deuxième soufflet 206 est placé en aval. Le bloc catalytique 201 comporte un premier tube 2010 entourant un pain catalytique 2011 qui occupe toute la section du premier tube 2010. Le premier tube 2010 est dans le prolongement des soufflets 205, 206 auxquels il est raccordé par une soudure circulaire 208. Les soufflets 205, 206 sont réalisés par exemple par hydroformage de tubes d' acier .
L' 1 ' enveloppe externe 23 comporte un deuxième tube 202. Deux rondelles 204 sont interposées entre le premier et le deuxième tube 201, 202 de manière à former des entretoises de centrage du premier tube 201 dans le deuxième tube 202. Les rondelles 204 sont soudées sur le premier et sur le deuxième tube 202. Le deuxième tube 202 est également raccordé par soudure continue 207 au reste de 1 ' 1 ' enveloppe externe 23. On pourra se référer au document FR 2 924 467 pour le reste de la construction du collecteur d' échappement 2. En fonctionnement, chaque bloc catalytique 201 reçoit les gaz d'échappement en provenance de la chambre de combustion 10 respective. Lors du démarrage à froid du moteur 1, chaque bloc catalytique 201 reçoit les gaz d'échappement à la sortie de la chambre de combustion 10, donc à une température la plus haute possible. Les blocs catalytiques 201 entrent donc en fonction très rapidement et commencent à traiter les gaz avant même que l'équilibre thermique soit atteint. Même si le bloc catalytique est fixe par rapport à l'enveloppe, les soufflets de part et d' autre du bloc permettent au conduit interne de se dilater sans imposer de contrainte importante.
Dans une variante de la disposition du système de motorisation, représentée sur la figure 4, seuls deux des canaux 20a du collecteur d'échappement 2a sur les quatre sont équipés de blocs catalytiques. Le coût du système est ainsi réduit. L'efficacité du traitement des gaz d'échappement en est également réduite, mais selon les normes qui s'appliquent, cette solution peut être suffisante. Pour équilibrer les pertes de charge entre les différents canaux 20a, des modifications géométriques peuvent être apportées si nécessaire.
Dans une autre disposition, montrée sur la figure 5, un seul bloc catalytique 201b est placé dans la partie aval 21b du collecteur d'échappement 2b, juste en amont de la turbine 30. Ce bloc catalytique 201b voit donc passer l'ensemble des gaz d'échappement qui sont ainsi tous traités grâce à ce seul bloc catalytique 201b. La montée en température du bloc catalytique 201b est moins rapide que dans le cas précédent, puisque le conduit interne 22 du collecteur d'échappement 2b doit être chauffé, mais elle peut toutefois être satisfaisante. Elle est de toute façon plus rapide que dans le cas d'un collecteur d'échappement en fonte, du fait de la réalisation en double enveloppe. Selon un deuxième mode de réalisation, montré sur la figure 2 et applicable à toutes les dispositions, le premier tube 2010' n'est pas relié par des rondelles au deuxième tube 202' : il est simplement emmanché dans le deuxième tube 202' par l'intermédiaire d'un manchon 209 en matière isolante, par exemple en fibres céramiques. Les autres caractéristiques sont identiques au premier mode de réalisation. On obtient ainsi sensiblement les mêmes effets que dans le premier mode de réalisation. Cependant, l'isolant est monté glissant dans le deuxième tube 202', ce qui permet un glissement du premier tube 2010' par rapport au deuxième 202' . On peut ainsi se dispenser de l'un des soufflets 205, 206 éventuellement. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre d'exemples. Elle peut s'appliquer à des moteurs ayant moins ou plus de chambres de combustion. Les canaux pourraient être regroupés deux à deux pour alimenter un même bloc catalytique avant le regroupement final de tous les canaux.

Claims

REVENDICATIONS
1. Collecteur d'échappement pour un moteur (1) à combustion interne, comportant au moins un canal (20), le canal (20) comportant une entrée destinée à être reliée à une sortie d'une chambre de combustion (10) du moteur (1), le canal (20) comportant un conduit interne (22) destiné à conduire directement les gaz d'échappement et une l'enveloppe externe (23) entourant le conduit interne (22), caractérisé en ce que le conduit interne (22) comporte en outre un bloc catalytique (201) occupant toute la section du conduit interne (22), le conduit interne (22) comportant au moins un premier soufflet (205) en amont ou un deuxième soufflet (206) en aval de part et d'autre du bloc catalytique (201) .
2. Collecteur selon la revendication 1, dans lequel le bloc catalytique (201) comporte un pain catalytique 2011 enveloppé par un premier tube (2010), le premier tube (2010) formant une partie du conduit interne (22) .
3. Collecteur selon la revendication 2, dans lequel le premier tube (2010) est raccordé au soufflet (205, 206) par une soudure circulaire (208) continue.
4. Collecteur selon la revendication 2, dans lequel le premier tube (2010) est centré dans 1 ' 1 ' enveloppe externe (23) par au moins une rondelle (204) emmanchée sur le tube (2010) .
5. Collecteur selon la revendication 4, dans lequel 1 ' 1 ' enveloppe externe (23) comporte un deuxième tube (202) coaxial au premier tube (2010), la rondelle (204) est soudée au premier et au deuxième tube (2010, 202).
6. Collecteur selon la revendication 2, dans lequel un manchon (209) en matière isolante relie le premier tube (2010) à 1 ' 1 ' enveloppe externe (23) .
7. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte plusieurs canaux
(20) se réunissant vers un orifice aval en une partie aval (21) du conduit interne (22) .
8. Collecteur selon la revendication 7, dans lequel le bloc catalytique (201) est situé sur la partie aval (21) du conduit.
9. Collecteur selon la revendication 7, dans lequel au moins l'un des canaux (20) en amont de la partie aval (21) comporte un bloc catalytique (201) .
10. Organe d'échappement caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur d'échappement (2, 2a, 2b) selon l'une des revendications 1 à 9, et un carter de turbine dans le prolongement du conduit interne (22) à l'opposé de l'entrée.
PCT/FR2013/050092 2012-01-16 2013-01-15 Collecteur d'échappement et organe d'échappement comportant un tel collecteur Ceased WO2013107979A1 (fr)

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