FR2875266A1 - Collecteur d'echappement pour moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

Le collecteur d'échappement (10) comporte un corps moulé (12) en fonte au nickel à architecture en deux Y et présentant deux jonctions (18) et (20) respectivement connectées aux conduits d'entrée (16a, 16d) et (16b, 16c). Entre les deux jonctions (18) et (20) et s'étendant dans le conduit de sortie (26), est disposée une cloison ou plaque de séparation (28) en acier austénitique montée dans un guide en U (29) inséré lors de la coulée du corps (12) du collecteur. La plaque (28) a pour effet d'améliorer la tenue thermomécanique du collecteur, notamment au niveau de la fatigue thermique et de la réduction des contraintes internes. Un jeu latéral est prévue entre les branches (33, 33') du guide (29) et les bords de la plaque (28) pour faciliter la dilatation de la plaque (28) transversalement au conduit de sortie (26).Le collecteur est utilisable notamment avec des moteurs à quatre cylindres équipés de turbocompresseur.

Description

La présente invention concerne un collecteur d'échappement pour un moteur

à combustion interne et peut notamment être utilisée avec profit dans un moteur suralimenté par un turbocompresseur.

Le collecteur d'échappement a pour fonction de guider les gaz d'échappement de la culasse vers les équipements aval tels que le turbocompresseur, les éléments périphériques nécessaires au posttraitement des gaz brûlés et la ligne d'échappement. Le collecteur d'échappement est généralement équipé de plusieurs conduits tubulaires dont les entrées sont solidaires d'une bride d'entrée. Ces conduits permettent, à partir de la sortie des différentes pipes d'échappement de la culasse, de diriger les gaz d'échappement vers une sortie unique solidaire d'une bride de sortie. Le collecteur d'échappement est le plus souvent assemblé à la culasse au moyen d'un assemblage vissé qui vient solidariser la bride d'entrée avec la face d'échappement de la culasse. Un joint métallique est intercalé entre la culasse et la bride d'entrée du collecteur d'échappement pour assurer une meilleure étanchéité au gaz d'échappement.

Plus particulièrement l'invention concerne un collecteur d'échappement moulé pour moteur à combustion interne à 4 cylindres, présentant une architecture en 2Y.

L'architecture en 2Y, obtenue en couplant deux à deux les échappements les plus "éloignés" dans le cycle d'allumage, à savoir les cylindres 1 et 4 d'un côté et 2 et 3 de l'autre pour les moteurs à 4 cylindres de type 1342, permet de minimiser les problèmes d'interaction cylindre à cylindre dans de tels moteurs. La structure du collecteur se présente sous la forme de deux jonctions tubulaires en Y de premier niveau dont les sorties se rejoignent pour former une troisième jonction en Y intégrée en tout ou partie au collecteur (second niveau). Cette technique permet également d'améliorer la vidange des cylindres, donc leur remplissage, d'où un gain en couple appréciable.

Dans certains collecteurs en 2Y, par exemple de type dit 'Twin Scroll' (à spirales jumelles) bien adapté pour être associé à un turbocompresseur, la jonction effective au second niveau se fait juste à la sortie du collecteur, une cloison de séparation des conduits de sortie des jonctions de premier niveau étant disposée dans le conduit de sortie de collecteur. Il a toutefois été observé des problèmes de fissuration et de perte de matière au niveau de la cloison de séparation des conduits en sortie de collecteur. Les facteurs dominants qui génèrent ces défaillances sont le niveau thermique élevé de la cloison, le différentiel de dilatation et les raideurs relatives entre la cloison et le massif rigide qui l'entoure. En particulier la cloison centrale de séparation ne peut pas se dilater librement et des contraintes apparaissent aux deux extrémités de cette cloison.

L'invention a pour but de proposer un collecteur d'échappement à structure en 2Y présentant une tenue améliorée aux sollicitations thermomécaniques.

A cette fin, l'invention propose un collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne à quatre cylindres comportant quatre conduits d'entrée destinés à être connectés aux orifices d'échappement correspondants de la culasse dudit moteur et un conduit de sortie du collecteur, lesdits conduits d'entrée étant reliés deux à deux par deux jonctions en Y présentant chacune en sortie un conduit intermédiaire connecté audit conduit de sortie du collecteur, caractérisé en ce que ledit conduit de sortie du collecteur comporte une cloison de séparation entre les conduits intermédiaires réalisée en un ou plusieurs matériaux présentant des propriétés thermomécaniques différentes de celles du matériau du conduit de sortie du collecteur la cloison étant montée dans un guide de U rapporté dans le dit conduit de sortie.

Ainsi le collecteur selon l'invention évite d'avoir à recourir à des solutions pénalisantes, soit la réduction de la température des gaz d'échappement au détriment des performances du moteur, soit l'utilisation pour le corps du collecteur d'une structure renforcée et/ou en matériau plus résistant au détriment d'une augmentation sensible des coûts de matière et/ou de fabrication. Comme il apparaîtra ci- après la structure du collecteur selon l'invention reste proche de la structure des collecteurs 2Y connus et permet de façon optionnelle de continuer à utiliser la technique des collecteurs à corps moulé en fonte au molybdène et silicium relativement peut onéreuse avec un surcoût modeste par rapport aux résultats techniques obtenus.

Avantageusement la cloison est réalisée à partir d'un matériau présentant par rapport audit matériau du conduit de sortie une meilleure tenue aux hautes températures et/ou un coefficient de dilatation inférieur. Ainsi l'utilisation de l'utilisation d'une cloison en matériau présentant un coefficient de dilatation inférieur à celui du matériau du conduit (en général le matériau utilisé pour le corps du collecteur) permet de compenser l'augmentation de température de la cloison due au fait que celle-ci est au contact avec les gaz d'échappement sur ses deux faces.

De préférence la cloison est choisie en acier ou dans un matériau de nuance austénitique, par exemple sous la forme d'une plaque de tôle en acier austénitique. Avantageusement la plaque est montée sensiblement en position diamétrale dans le conduit de sortie.

Selon une première variante de réalisation de l'invention, le guide de la cloison est réalisé sous la forme d'un profilé en acier pourvu d'une rainure et mis en forme de U. Avantageusement, la largeur de la rainure est sensiblement égale à l'épaisseur de la plaque. Tout aussi avantageusement, la plaque est montée avec un jeu de dilatation latéral dans le guide en U. Cette dernière caractéristique étant très efficace pour réduire les contraintes dues à la dilatation thermique.

Selon une seconde variante de réalisation de l'invention, le guide en U est incorporé dans ledit conduit de sortie à la coulée du collecteur. Avantageusement le guide en U présente une section transversale en contredépouille au niveau de la liaison guide/collecteur. Tout aussi avantageusement, le collecteur d'échappement comporte un corps moulé en fonte aux silicium et molybdène ou en fonte au nickel ou aux nickel et chrome.

Les collecteurs d'échappement selon l'invention trouvent leur application notamment dans les collecteurs destinés au moteur à quatre cylindres de type 1342 et dans lesquels les quatre conduits d'entrée sont disposés sensiblement en ligne, l'une des deux jonctions en Y étant reliée aux deux conduits d'entrée latéraux et l'autre des deux jonctions en Y étant reliée aux deux conduits d'entrée centraux.

Parmi d'autres avantages de l'invention, on notera que l'invention est directement applicable aux deux types de collecteurs, les collecteurs obtenus par moulage par gravité et les collecteurs mécano-soudés avec toutefois un avantage pour les premiers.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre présentée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins cijoints dans lesquels: la figure 1 représente une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation d'un collecteur d'échappement selon l'invention; la figure 2 représente une vue schématique agrandie de la coupe transversale selon la ligne AA du collecteur d'échappement de la figure 1; et la figure 3 représente une vue schématique éclatée en perspective en agrandie d'un ensemble cloison/guide utilisable dans un collecteur d'échappement du type illustré la figure 1.

Le collecteur 10 d'échappement pour moteur à combustion interne à quatre cylindres illustré aux figures 1 et 2 concerne un mode réalisation de l'invention donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en l'espèce un collecteur à architecture en 2Y de type 'twin scroll' destiné à être associé à une culasse à quatre cylindres en ligne (non représentée) au niveau d'une interface représentée par sa projection XX' et s'étendant perpendiculairement au plan de la figure 1. Le collecteur 10 tel qu'illustré est réalisé en structure moulée obtenue par coulée de fonte ou d'acier.

Parmi les matériaux moulables utilisés pour la fabrication des collecteurs selon l'invention, on peut citer: - Les fontes incorporant du silicium et du molybdène offrent de bonnes propriétés de coulabilité et d'usinabilité. Elles permettent donc l'obtention de collecteurs peu coûteux. Par contre, les propriétés de ces fontes peuvent être altérées à hautes températures d'où l'intérêt particulier de la structure à cloison de séparation rapportée selon l'invention.

Les fontes à base de nickel (à teneur de nickel d'au moins 20%) ou de nickel et de chrome offrent un meilleur comportement à chaud que les fontes à base de silicium et de molybdène. Par contre, leurs moins bonnes propriétés de coulabilité et d'usinabilité engendrent une légère augmentation des coûts de fabrication pour le collecteur d'échappement. Les collecteurs selon l'invention utilisant ce type de fontes bénéficient pleinement des avantages conférés par l'invention.

Enfin, les aciers, en général de type austénitique, offrent les meilleures performances en terme de tenue thermomécanique. Par contre, leurs médiocres propriétés de coulabilité demandent des moyens industriels spécifiques et assez coûteux qui se répercutent directement sur le prix du produit fini. Toutefois l'invention peut dans certains cas être également utilisable avec profit dans ces collecteurs moulés en acier coulé.

Tel qu'illustré sur les figures 1 et 2, le corps moulé 12 du collecteur quasiment monobloc comporte une bride d'entrée 14 dans laquelle débouchent en ligne (selon XX') les quatre conduits d'entrée 16a, 16b, 16c et 16d. La bride d'entrée 14 qui s'étend parallèlement au plan d'interface est destinée à être solidarisée de façon étanche sur la culasse (non représentée) du moteur de façon à connecter les conduits d'entrée du collecteur avec les conduits d'échappement des cylindres correspondants. Par exemple pour un moteur de type 1342, les conduits 16a, 16b, 16c et 16d correspondent aux cylindres 1, 2, 3 et 4 respectivement.

Les conduits d'entrée s'étendent dans un plan parallèle au plan de la figure 1 pour se rejoindre deux à deux au niveau de deux jonctions 18 et 20 et former deux volutes courbes, une volute interne regroupant les conduits 16b et 16c et une volute externe regroupant les conduits 16a et 16d. Les deux jonctions 18 et 20 présentent chacune en sortie une portion de conduit intermédiaire 22 et 24 débouchant dans le conduit de sortie de collecteur 26 lequel comporte une cloison de séparation 28 monté dans un guide en U 29 rapporté dans le conduit 26. Le conduit de sortie 26 débouche sur la bride de sortie 30 du collecteur s'étendant parallèlement au plan de la figure 1 et destinée à être solidarisée de façon étanche au conduit d'entrée d'un circuit d'échappement et/ou directement au conduit d'entrée d'un turbocompresseur (non représenté) notamment à l'aide de boulons montés dans les alésages filetés 32. On notera incidemment la structure très rigide et compacte des collecteurs à architecture 'twin scroll' permettant le montage direct d'un turbocompresseur en position latérale. De façon optionnelle mais avantageuse, le conduit de sortie 26 au niveau de la bride 30 présente une section sensiblement circulaire de telle sorte que la cloison 28 et son guide en U 29 se trouvent montés sensiblement en position diamétrale dans ce conduit de sortie 26. Telle qu'illustré sur la figure 2, le bord libre 27 de la cloison de séparation 28 et les extrémités libres 31 et 31' du guide en U 29 et viennent effleurer la surface plane de la bride de sortie 30. Toutefois sans sortir du cadre de l'invention, d'autres variantes non représentées présentent des sorties de collecteurs légèrement différentes avec par exemple des conduits de sortie se prolongeant au-delà ou en deçà du niveau du bord libre 27 de la plaque 28.

Selon une des caractéristiques de l'invention, la cloison de séparation 28 entre les conduits intermédiaires 22, 24 est réalisée, à titre d'exemple non limitatif, sous la forme d'une plaque plane, monobloc ou feuilleté, à partir d'un ou plusieurs matériaux présentant des propriétés thermomécaniques différentes de celles du matériau du conduit d'échappement 26, l'espèce le matériau constituant le corps moulé 12, en l'espèce une fonte ou un acier présenté ci-avant. Le ou les matériaux de la cloison 28 sont choisis de façon à améliorer la résistance du collecteur au niveau du conduit de sortie, plus particulièrement la cloison 28 est réalisée en tôle d'acier austénitique découpée ou emboutie, lequel matériau de cloison présente une meilleure tenue aux hautes températures (notamment au niveau de la fatigue thermique) et/ou un coefficient de dilatation inférieur à celui du matériau du corps 12 de façon à réduire les contraintes internes au niveau de la jonction cloison/corps.

La cloison ou plaque 28 est insérée dans le guide en U 29 lui-même disposé dans le conduit de sortie 26 et incorporé à la coulée du corps de collecteur 12, le guide en U 29 étant à l'issue de l'opération de moulage retenu prisonnier dans une ouverture 34 en U prévue dans le corps du collecteur entre les jonctions 18 et 20.

A titre d'exemple non limitatif, le guide en U 29 est réalisé sous la forme d'un profilé en acier pourvu d'une rainure en U 36 destinée à recevoir la cloison 28 et mis en forme de U. La rainure en U 36 présente une largeur L sensiblement égale ou au moins égale à l'épaisseur de la plaque formant la cloison 28. Comme illustré sur la figure 1, la plaque 28, de préférence sensiblement rectangulaire, est montée dans la rainure 36 sur ses trois côtés, dans la base 35 du guide en U 29 et, avec un jeu latéral 'e', sur chacune des deux branches 33 et 33' de guide en U. Ce jeu latéral a pour but de permettre l'expansion thermique de la plaque 28 tout en réduisant (voire en supprimant) les contraintes thermomécaniques sur le guide en U 29 et par voie de conséquence sur les parois du conduit de sortie 26 du collecteur.

Comme illustré sur la figure 2, le guide en U 29 présente une section transversale 38 en contre-dépouille dans la zone de liaison entre le guide en U 29 et la paroi 13 du collecteur au niveau de l'ouverture en U 34.

L'ensemble cloison/guide illustré à la figure 3 représente une variante très proche (aux dimensions près) de l'ensemble guide en U 29 et cloisonplaque 28 décrit avec un collecteur d'échappement du type illustré aux figures 1 et 2. Par commodité on utilisera les mêmes références numériques pour les éléments identiques ou quasi-identiques. Les différences existant entre l'ensemble cloison/guide de la figure 3 par rapport à l'ensemble de la figure cloison/guide des figures 1 et 2 résident dans le profil de la section transversale 38 du guide en U 29, en l'espèce, mais sans caractère limitatif, sensiblement en forme de fer à cheval pour assurer la contre-dépouille et l'ancrage du guide 29 lors de la coulée du corps, d'une part et dans une plus grande dimension du jeu e ) entre les bords latéraux 40, 40' de la plaque rectangulaire 28 et le fond de la rainure 36 au niveau des branches 33 et 33' du guide en U 29 d'autre part, le bord inférieur de la plaque 28 étant également maintenu avec jeu de dilatation vertical dans la portion de la rainure 36 s'étendant dans la base 35 du guide en U 29.

II est à noter que la cloison-plaque 28 n'est pas en contact direct avec le corps 12 du collecteur mais seulement maintenue dans le guide en U 29 sur sa base et sur toute sa hauteur. Un jeu entre le guide et la plaque sur la hauteur du U permet à la plaque de se dilater librement dans le guide. Le collecteur et la plaque peuvent se dilater de façon indépendante sans générer de contraintes thermomécaniques. Cette plaque rapportée permet de choisir un matériau offrant une meilleure tenue à chaud et/ou un coefficient de dilatation inférieur au massif environnant, par exemple une cloison- plaque en tôle austénitique avec un collecteur en fonte au silicium/molybdène ou en fonte à base de nickel. Le guide en U 29 peut également être dans un matériau différent pour assurer son intégrité physique (maintien de ses dimensions géométriques) lors de la coulée du corps 12 du collecteur. La plaque 28 faisant office de cloison peut être insérée dans la rainure 36 du profilé du guide 29 avant la mise en forme du U ou après cette mise en forme. L'avantage de la première solution est de faciliter un usinage commun aux deux pièces assemblées. Le guide une fois terminé est inséré à la coulée dans le corps du collecteur. En variante, il est également possible d'insérer la plaque en force par un procédé mécanique après la réalisation du collecteur muni du guide en U. Bien entendu sans sortir du cadre de l'invention la plaque formant la cloison de séparation peut être modifiée tout en restant adaptée pour être insérée dans un guide en U, par exemple pour adopter des profils divers, bombé et ou en S, pour présenter une épaisseur variable et/ou être constituée d'une ou plusieurs couches de matériaux appropriés de façon à obtenir l'effet recherché par invention.

Enfin l'invention n'est pas limitée aux collecteurs d'échappement moulés mais est également applicable à la technique de fabrication de collecteur par mécano-soudage, le guide en U pour la cloison de séparation étant alors soudé au corps du collecteur.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne à quatre cylindres comportant quatre conduits d'entrée (16a, 16b, 16c, 16d) destinés à être connectés aux orifices d'échappement correspondants de la culasse dudit moteur et un conduit de sortie (26) du collecteur, lesdits conduits d'entrée (16a, 16b, 16c, 16d) étant reliés deux à deux par deux jonctions en Y (18, 20) présentant chacune en sortie un conduit intermédiaire (22, 24) connecté audit conduit de sortie (26) du collecteur, caractérisé en ce que ledit conduit de sortie (26) du collecteur comporte une cloison de séparation (28) entre les conduits intermédiaires (22, 24) réalisée en un ou plusieurs matériaux présentant des propriétés thermomécaniques différentes de celles du matériau du conduit de sortie (26) du collecteur, ladite cloison étant montée dans un guide en U (29) rapporté dans ledit dudit conduit de sortie (26).

2. Collecteur d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison (28) est réalisée à partir d'un matériau présentant par rapport audit matériau du conduit de sortie (26) une meilleure tenue aux hautes températures et/ou un coefficient de dilatation inférieur.

3. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la cloison (28) est choisie en acier ou dans un matériau de nuance austénitique.

4. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé 25 en ce que la cloison (28) se présente sous la forme d'une plaque, de préférence sensiblement rectangulaire.

5. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le guide (29) est réalisé sous la forme d'un profilé en acier pourvu d'une rainure (36) et mis en forme de U.

6. Collecteur d'échappement selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la largeur de la rainure est sensiblement égale à l'épaisseur de la plaque (28).

7. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la plaque (28) est montée sensiblement en position diamétrale dans le conduit de sortie (26).

8. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la cloison (28) est montée avec un jeu de dilatation latéral dans le guide en U.

9. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 8 en matériau moulé, caractérisé en ce que le guide en U (29) est incorporé dans ledit conduit de sortie (26) à la coulée du collecteur.

10. Collecteur d'échappement selon la revendication 9, caractérisé en ce que le guide en U(29) présente une section transversale en contredépouille (38) au niveau de la liaison guide/collecteur.

11. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un corps moulé (12) en fonte aux silicium et molybdène ou en fonte au nickel ou aux nickel et chrome.

12. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications précédentes dans lequel les quatre conduits d'entrée sont disposés sensiblement en ligne caractérisé en ce que l'une des deux jonctions en Y (18) est reliée aux deux conduits d'entrée latéraux (16a, 16d) et l'autre des deux jonctions en Y (20) est reliée aux deux conduits d'entrée centraux (16b, 16c).