FR2942004A1

FR2942004A1 - Engine e.g. diesel engine, for motor vehicle, has exhaust manifold integrated in cylinder head, turbocharger providing supercharged air to engine, and cooling circuit cooling supercharged air cooler and exhaust manifold

Info

Publication number: FR2942004A1
Application number: FR0950777A
Authority: FR
Inventors: Martial Dore
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-13
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: FR2942004B1

Abstract

The engine (10) has an exhaust manifold (16) integrated in a cylinder head (18). A turbocharger (20) provides supercharged air to the engine. A cooling circuit (24) cools a supercharged air cooler (22) and the exhaust manifold, where the cooling circuit includes a thermal exchanger (26) for cooling a cooling fluid. An electric pump (28) ensures circulation of the fluid in the cooling circuit. The fluid is water or water added with glycol. Another cooling circuit cools the cylinder head. An independent claim is also included for a vehicle comprising a heat exchanger.

Description

MOTEUR AVEC UN COLLECTEUR D'ECHAPPEMENT INTEGRE A LA CULASSE [000l] La présente invention concerne un moteur avec un collecteur d'échappement intégré à la culasse. [0002] Un moteur monté dans un véhicule automobile convertit l'énergie issue de la combustion du carburant en énergie mécanique. L'efficacité de la combustion dépend notamment des proportions du mélange entre le carburant et l'air. L'emploi de la suralimentation permet par exemple la combustion de plus de carburant dans le moteur. Un moteur suralimenté est muni d'un ou de plusieurs turbocompresseurs qui permettent d'augmenter la densité de l'air admis au niveau de chacun des cylindres. La température de l'air comprimé est généralement réduite pour augmenter le rendement de la suralimentation. La réduction de température de l'air comprimé peut se faire généralement à l'aide d'un circuit de refroidissement de basse température, constitué d'un radiateur, d'une pompe et d'un échangeur thermique. Le radiateur et la pompe se trouvent généralement en face avant véhicule. L'échangeur est quant à lui embarqué sur le moteur. [0003] Le moteur peut aussi comporter un collecteur d'échappement intégré dans la culasse comme il est connu du document JP-A-2005188352. Le collecteur et la culasse sont généralement réalisés en un alliage d'aluminium à refroidir. Cela peut impliquer notamment l'utilisation de pompes, d'échangeurs ce qui représente un fort encombrement pour l'environnement situé sous le capot du véhicule. Il est ainsi souhaitable de pouvoir diminuer l'encombrement de l'environnement situé sous le capot du véhicule, notamment en ce qui concerne le refroidissement du collecteur et de la culasse. [0004] Le document JP-A-1182560 décrit une structure de culasse d'un moteur avec un turbocompresseur. [0005] Le document US-A-2005/0087154 décrit une culasse pour un moteur à combustion interne comprenant une chemise de refroidissement inférieure et une chemise de refroidissement supérieure. La chemise de refroidissement inférieure a une circulation du premier flux de refroidissement en communication fluidique avec une circulation de flux de refroidissement d'un bloc cylindre dudit moteur. La chemise de refroidissement supérieure a une circulation du deuxième flux de refroidissement en communication fluidique avec ladite circulation de flux de refroidissement de ladite chemise de refroidissement inférieure. Une tubulure d'échappement est agencée entre ladite chemise de refroidissement inférieure et ladite chemise de refroidissement supérieure. [0006] Mais, aucun des documents précités ne diminue efficacement l'encombrement lié au refroidissement du collecteur d'échappement qui est intégré dans la culasse. [0007] Il existe donc un besoin pour un moteur permettant un bon refroidissement d'un collecteur d'échappement intégré dans la culasse avec un encombrement minimal. [0008] Pour cela, l'invention propose un moteur comprenant une culasse, un collecteur d'échappement intégré dans la culasse, un turbocompresseur fournissant de l'air suralimenté au moteur, un refroidisseur d'air suralimenté, un circuit de refroidissement du refroidisseur d'air suralimenté, le circuit de refroidissement refroidissant aussi le collecteur. [0009] Dans une variante, le refroidisseur d'air suralimenté est alimenté en série avec le collecteur d'échappement. [ooio] Dans une variante, le refroidisseur d'air suralimenté est alimenté en parallèle avec le collecteur d'échappement. [0011] Dans une variante, le circuit de refroidissement comprend un échangeur thermique refroidissant le fluide de refroidissement. [0012] Dans une variante, le moteur comprend une pompe électrique assurant la circulation du fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement. [0013] Dans une variante, le circuit de refroidissement du refroidisseur d'air suralimenté est le premier circuit, le moteur comprenant en outre un deuxième circuit de refroidissement de la culasse. [0014] Dans une variante, les fluides de refroidissement sont de l'eau ou de l'eau additionnée de glycol. [0015] L'invention a également pour objet un véhicule comprenant le moteur défini précédemment. [0016] Dans une variante, le véhicule comprend en outre un échangeur thermique en façade avant du véhicule, le circuit de refroidissement du refroidisseur d'air suralimenté et du collecteur étant relié à l'échangeur thermique. [ooi7] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : • figure 1, une vue schématique d'un moteur de véhicule [oois] Il est proposé un moteur comprenant une culasse et un collecteur d'échappement intégré dans la culasse. Le moteur comporte en outre un turbocompresseur fournissant de l'air suralimenté au moteur et un circuit de refroidissement d'un refroidisseur d'air suralimenté. Le circuit de refroidissement refroidit aussi le collecteur. [0019] Le circuit de refroidissement pour refroidir l'air suralimenté correspond au circuit de refroidissement de basse température du moteur et est utilisé pour refroidir le collecteur d'échappement. Le collecteur d'échappement est donc bien refroidi. De plus, le circuit de refroidissement est déjà existant sur les véhicules. De ce fait, l'encombrement du moteur est réduit. Le moteur proposé permet ainsi d'assurer un bon refroidissement du collecteur d'échappement intégré dans la culasse avec un encombrement minimal. [0020] La figure 1 illustre une vue schématique de moteur 10. Le moteur 10 peut notamment être un moteur Diesel ou essence. [0021] Le moteur 10 comprend une ou plusieurs chambres 12 de combustion situées entre un collecteur 14 d'admission et un collecteur 16 d'échappement. Le collecteur 14 d'admission reçoit de l'air à introduire dans la chambre 12 de combustion. Du carburant est également injecté dans la chambre 12 de combustion généralement par une buse d'injection qui n'est pas représentée sur la figure 1. Le collecteur 14 d'admission comporte également un répartiteur, (repérage sur figure à revoir, 18 déjà attribué à la culasse), d'air en entrée de la chambre 12 de combustion. Le répartiteur, (repérage sur figure à revoir, 18 déjà attribué à la culasse), permet de répartir l'air dans chacun des cylindres du moteur 10. Le collecteur 16 d'échappement reçoit les émissions de gaz produites par la combustion et les dirige vers un catalyseur d'échappement non représenté. Le catalyseur traite les émissions produites par la combustion avant expulsion vers l'atmosphère extérieure. [0022] Une culasse 18 est placée au-dessus des chambres 12 de combustion comme l'indiquent les pointillés utilisés pour représenter les chambres 12 sur la figure 1. La culasse 18 assure notamment un rôle de protection des chambres 12. Pour diminuer l'encombrement du moteur 10, le collecteur 16 d'échappement est intégré dans la culasse 18. Cela impose des contraintes thermiques plus importantes sur le collecteur 16 par rapport aux cas dans lesquels le collecteur 16 n'est pas intégré dans la culasse 18. Pour pallier à un tel problème, un meilleur refroidissement du collecteur 16 est généralement permis par l'utilisation d'éléments plus encombrants pour le refroidissement de la culasse impliquant un re-dimensionnement de la façade avant du véhicule. [0023] Le moteur 10 comprend en outre un turbocompresseur 20 qui fournit de l'air suralimenté au collecteur 14 d'admission. Dans une configuration dans laquelle le collecteur est intégré dans la culasse 18, le turbocompresseur 20 est généralement directement placé à côté de la culasse 18 comme l'illustre la figure 1. Le turbocompresseur 20 permet d'augmenter la densité de l'air admis au niveau de chacune des chambres 12 de combustion. Cela permet la combustion de plus de carburant ce qui augmente la puissance du moteur 10. [0024] Pour améliorer un tel effet, il est utile d'abaisser la température de l'air suralimenté issu du turbocompresseur 20. Un refroidisseur 22 d'air suralimenté permet de réaliser la réduction de température de l'air suralimenté. Le refroidisseur 22 d'air suralimenté est refroidi par un circuit 24 de refroidissement. Le circuit 24 de refroidissement refroidit aussi le collecteur 16. [0025] Ainsi, le circuit 24 de refroidissement refroidit efficacement à la fois le refroidisseur 22 d'air suralimenté et le collecteur 16. Cela limite le risque thermique lié à l'intégration du collecteur d'échappement dans la culasse. Le circuit 24 refroidissant deux éléments au lieu d'un comme dans les véhicules classiques, cela permet de réduire l'encombrement du moteur 10. Cela permet entre autre que l'intégration du collecteur 16 dans la culasse 18 n'entraîne pas de redimensionnement de la façade avant. [0026] Selon l'exemple de la figure 1, le refroidisseur 22 d'air suralimenté est alimenté en série avec le collecteur 16 d'échappement. D'autres configurations peuvent aussi être envisagées. Ainsi, selon une alimentation en parallèle du refroidisseur 22 d'air suralimenté et du collecteur 16, une partie du fluide de refroidissement circulant dans le circuit 24 est prélevée pour refroidir le collecteur 16. De telles configurations ont l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre, notamment parce que peu de conduits supplémentaires pour faire circuler le fluide de refroidissement dans le collecteur 16 sont utilisées. [0027] Le circuit 24 de refroidissement peut comprendre en outre un échangeur 26 thermique refroidissant le fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement circulant dans le circuit 24 de refroidissement peut être de l'eau ou de l'eau additionnée de glycol. L'échangeur 26 est placé en façade avant du véhicule. Cela permet d'obtenir un bon contact thermique entre le fluide de refroidissement dans l'échangeur 26 et l'air frais provenant de l'extérieur ce qui facilite le refroidissement du fluide de refroidissement. [0028] Le moteur 10 peut également comporter une pompe 28 électrique assurant la circulation du fluide de refroidissement dans le circuit 24 de refroidissement. Selon l'exemple de la figure 1, la pompe 28 est positionnée en série dans le circuit 24. [0029] Le moteur 10 peut aussi comporter un deuxième circuit de refroidissement non représenté sur la figure 1, le premier circuit de refroidissement étant le circuit 24 de refroidissement du refroidisseur 22 d'air suralimenté. Le deuxième circuit refroidit la culasse 18. Le fluide de refroidissement circulant dans le deuxième circuit de refroidissement peut être de l'eau ou de l'eau additionnée de glycol. [ooso] Le refroidissement de la culasse 18 peut ainsi se faire efficacement à l'aide de deux circuits de refroidissement distincts. Le premier circuit 24 de refroidissement correspondant au circuit de refroidissement du refroidisseur d'air suralimenté permet de refroidir le collecteur 16 intégré dans la culasse 18. Le deuxième circuit de refroidissement refroidit la culasse 18, et en particulier la partie de la culasse 18 qui n'est pas refroidi par le premier circuit 24 de refroidissement. The present invention relates to a motor with an exhaust manifold integrated in the cylinder head. An engine mounted in a motor vehicle converts the energy from the combustion of fuel into mechanical energy. The efficiency of the combustion depends in particular on the proportions of the mixture between the fuel and the air. The use of the supercharging allows for example the combustion of more fuel in the engine. A supercharged engine is provided with one or more turbochargers that increase the density of the intake air at each of the cylinders. The temperature of the compressed air is generally reduced to increase the efficiency of the supercharging. The compressed air temperature reduction can generally be done using a low temperature cooling circuit consisting of a radiator, a pump and a heat exchanger. The radiator and the pump are usually located on the front of the vehicle. The exchanger is on board the engine. The engine may also include an exhaust manifold integrated in the cylinder head as is known from JP-A-2005188352. The collector and the cylinder head are generally made of an aluminum alloy to be cooled. This may involve the use of particular pumps, exchangers which represents a large footprint for the environment located under the hood of the vehicle. It is thus desirable to be able to reduce the size of the environment located under the hood of the vehicle, in particular as regards the cooling of the collector and the cylinder head. JP-A-1182560 discloses a cylinder head structure of a motor with a turbocharger. [0005] US-A-2005/0087154 discloses a cylinder head for an internal combustion engine comprising a lower cooling jacket and a top cooling jacket. The lower cooling jacket has a circulation of the first cooling stream in fluid communication with a cooling flow flow of a cylinder block of said engine. The upper cooling jacket has a circulation of the second cooling stream in fluid communication with said flow of cooling flow of said lower cooling jacket. An exhaust manifold is provided between said lower cooling jacket and said upper cooling jacket. But none of the aforementioned documents effectively reduces the size associated with the cooling of the exhaust manifold which is integrated in the cylinder head. There is therefore a need for an engine for good cooling of an exhaust manifold integrated in the cylinder head with a minimum footprint. For this, the invention provides a motor comprising a cylinder head, an exhaust manifold integrated in the cylinder head, a turbocharger providing supercharged air to the engine, a supercharged air cooler, a cooler cooling circuit supercharged air, the cooling circuit also cooling the manifold. In a variant, the supercharged air cooler is fed in series with the exhaust manifold. [Ooio] In a variant, the supercharged air cooler is supplied in parallel with the exhaust manifold. In a variant, the cooling circuit comprises a heat exchanger cooling the cooling fluid. In a variant, the motor comprises an electric pump ensuring the circulation of the cooling fluid in the cooling circuit. In a variant, the cooling circuit of the supercharged air cooler is the first circuit, the engine further comprising a second cooling circuit of the cylinder head. In a variant, the cooling fluids are water or glycol-added water. The invention also relates to a vehicle comprising the motor defined above. In a variant, the vehicle further comprises a heat exchanger on the front of the vehicle, the cooling circuit of the supercharged air cooler and the collector being connected to the heat exchanger. Other features and advantages of the invention will appear on reading the following detailed description of the embodiments of the invention, given by way of example only and with reference to the drawings which show: FIG. 1 , a schematic view of a vehicle engine [oois] It is proposed an engine comprising a cylinder head and an exhaust manifold integrated in the cylinder head. The engine further includes a turbocharger providing supercharged air to the engine and a cooling circuit of a supercharged air cooler. The cooling circuit also cools the collector. The cooling circuit for cooling the supercharged air corresponds to the low temperature cooling circuit of the engine and is used to cool the exhaust manifold. The exhaust manifold is well cooled. In addition, the cooling circuit is already existing on the vehicles. As a result, the size of the engine is reduced. The proposed engine thus ensures a good cooling of the integrated exhaust manifold in the cylinder head with a minimal bulk. [0020] Figure 1 illustrates a schematic view of the engine 10. The engine 10 may in particular be a diesel engine or gasoline. The engine 10 comprises one or more combustion chambers 12 located between an intake manifold 14 and an exhaust manifold 16. The intake manifold 14 receives air to be introduced into the combustion chamber 12. Fuel is also injected into the combustion chamber 12 generally via an injection nozzle which is not shown in FIG. 1. The intake manifold 14 also comprises a distributor, (identification on a figure to be reviewed, 18 already assigned at the cylinder head), air inlet of the combustion chamber 12. The distributor, (mark on figure to be reviewed, 18 already assigned to the cylinder head), distributes the air in each of the cylinders of the engine 10. The exhaust manifold 16 receives the emissions of gas produced by combustion and directs them to an exhaust catalyst, not shown. The catalyst processes the emissions produced by the combustion prior to expulsion to the outside atmosphere. A yoke 18 is placed above the combustion chambers 12 as indicated by the dashed lines used to represent the chambers 12 in FIG. 1. The yoke 18 serves in particular to protect the chambers 12. To reduce the the size of the engine 10, the exhaust manifold 16 is integrated in the cylinder head 18. This imposes greater thermal stresses on the manifold 16 with respect to the cases in which the manifold 16 is not integrated in the cylinder head 18. To overcome to such a problem, a better cooling of the collector 16 is generally allowed by the use of more bulky elements for the cooling of the cylinder head involving a resizing of the front of the vehicle. The engine 10 further comprises a turbocharger 20 which supplies supercharged air to the intake manifold 14. In a configuration in which the manifold is integrated in the cylinder head 18, the turbocharger 20 is generally directly placed next to the cylinder head 18 as shown in FIG. 1. The turbocharger 20 makes it possible to increase the density of the air admitted to the engine. level of each of the combustion chambers 12. This allows the combustion of more fuel which increases the power of the engine 10. To improve such an effect, it is useful to lower the temperature of the supercharged air from the turbocharger 20. An air cooler 22 supercharged makes it possible to reduce the temperature of the supercharged air. The supercharged air cooler 22 is cooled by a cooling circuit 24. The cooling circuit 24 also cools the collector 16. [0025] Thus, the cooling circuit 24 effectively cools both the supercharged air cooler 22 and the collector 16. This limits the thermal risk associated with the integration of the collector. exhaust in the cylinder head. The circuit 24 cooling two elements instead of one as in conventional vehicles, it reduces the size of the engine 10. This allows among other things that the integration of the collector 16 in the yoke 18 does not result in resizing of the front facade. According to the example of Figure 1, the supercharged air cooler 22 is fed in series with the exhaust manifold 16. Other configurations may also be considered. Thus, according to a parallel supply of the supercharged air cooler 22 and the collector 16, part of the cooling fluid flowing in the circuit 24 is taken to cool the collector 16. Such configurations have the advantage of being simple to to implement, in particular because few additional conduits for circulating the cooling fluid in the collector 16 are used. The cooling circuit 24 may further comprise a heat exchanger 26 cooling the cooling fluid. The cooling fluid circulating in the cooling circuit 24 can be water or water containing glycol. The exchanger 26 is placed on the front of the vehicle. This makes it possible to obtain a good thermal contact between the cooling fluid in the exchanger 26 and the fresh air coming from the outside, which facilitates the cooling of the cooling fluid. The motor 10 may also include an electric pump 28 ensuring the circulation of the cooling fluid in the cooling circuit 24. According to the example of FIG. 1, the pump 28 is positioned in series in the circuit 24. The motor 10 may also comprise a second cooling circuit not shown in FIG. 1, the first cooling circuit being the circuit 24 cooling the cooler 22 supercharged air. The second circuit cools the cylinder head 18. The cooling fluid flowing in the second cooling circuit may be water or glycol-added water. [ooso] The cooling of the cylinder head 18 can thus be effected effectively with the aid of two separate cooling circuits. The first cooling circuit 24 corresponding to the cooling circuit of the supercharged air cooler makes it possible to cool the collector 16 integrated in the cylinder head 18. The second cooling circuit cools the cylinder head 18, and in particular the part of the cylinder head 18 which is not cooled by the first cooling circuit 24.

Claims

REVENDICATIONS1. An engine (10) comprising a cylinder head (18), an integrated exhaust manifold (16) in the cylinder head (18), a turbocharger (20) supplying supercharged air to the engine, an air cooler (22) supercharged, a cooling circuit (24) of the supercharged air cooler (22), the cooling circuit (24) also cooling the manifold (16).

The engine (10) of claim 1, wherein the supercharged air cooler (22) is fed in series with the exhaust manifold (16).

3. The engine (10) according to claim 1, wherein the supercharged air cooler (22) is supplied in parallel with the exhaust manifold (16).

4. The engine (10) according to one of claims 1 to 3, wherein the cooling circuit (24) comprises a heat exchanger (26) cooling the cooling fluid.

5. The motor (10) according to one of claims 1 to 4, wherein the motor (10) comprises an electric pump (28) ensuring the circulation of the cooling fluid in the circuit (24) cooling.

6. The engine (10) according to one of claims 1 to 5, wherein the circuit (24) for cooling the cooler (22) supercharged air is the first circuit, the engine (10) further comprising a second cylinder head cooling circuit (18).

7. The engine (10) according to one of claims 1 to 6, wherein the cooling fluids are water or water added glycol.

8. Vehicle comprising the engine according to one of claims 1 to 7.

9. Vehicle according to claim 8 further comprising a heat exchanger on the front of the vehicle, the cooling circuit of the supercharged air cooler (22) and the collector being connected to the heat exchanger.