EP1780386B1 - Bride d'entrée d'un conduit coudé d'un collecteur d'échappement et moteur à combustion interne comprenant une telle bride - Google Patents

Bride d'entrée d'un conduit coudé d'un collecteur d'échappement et moteur à combustion interne comprenant une telle bride Download PDF

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EP1780386B1
EP1780386B1 EP06301061A EP06301061A EP1780386B1 EP 1780386 B1 EP1780386 B1 EP 1780386B1 EP 06301061 A EP06301061 A EP 06301061A EP 06301061 A EP06301061 A EP 06301061A EP 1780386 B1 EP1780386 B1 EP 1780386B1
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exhaust manifold
inlet flange
inlet
height
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Guillaume Morin
Jean-Marc Cardona
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Renault SAS
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N13/18—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly
    • F01N13/1805—Fixing exhaust manifolds, exhaust pipes or pipe sections to each other, to engine or to vehicle body
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N13/18—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly
    • F01N13/1838—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly characterised by the type of connection between parts of exhaust or silencing apparatus, e.g. between housing and tubes, between tubes and baffles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2260/00—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for
    • F01N2260/10—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for for avoiding stress caused by expansions or contractions due to temperature variations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2260/00—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for
    • F01N2260/18—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for for improving rigidity, e.g. by wings, ribs

Definitions

  • the present invention generally relates to the inlet flanges of exhaust manifold conduits.
  • It relates more particularly to an inlet flange of a bent duct of an exhaust manifold adapted to connect said bent duct to the exhaust face of a cylinder head, this inlet flange having a central orifice intended to receive an end of said angled duct.
  • the invention also relates to an internal combustion engine comprising such a flange.
  • the internal combustion engines are provided with a cylinder head which surrounds the combustion chambers connected to an exhaust manifold outlet.
  • the exhaust manifold is a piece of cast iron or sheet steel to collect the flue gases from combustion.
  • the exhaust manifold comprises several bent ducts which are intended to channel the flow of the burnt gases from the combustion chambers of the engine and to evacuate them in an exhaust line.
  • Each bent ducts are connected to the exhaust face of the engine cylinder head by flanges, called inlet flanges.
  • Each inlet flange generally has flat and parallel bottom and top surfaces. It also has a central orifice for receiving an end of the corresponding duct of the exhaust manifold. On either side of this central opening, there are two openings through which studs pass to fix each inlet flange to the corresponding exhaust face of the cylinder head.
  • a seal is interposed between each inlet flange and the exhaust face of the cylinder head to ensure the sealing of the exhaust gas mounting flowing from the exhaust face of the cylinder head to the exhaust manifold conduits.
  • the burnt gases from combustion in the combustion chambers carry the walls of the bent ducts of the exhaust manifold at a very high temperature level. Conversely, the inlet flange of the exhaust manifold is in contact with the cylinder head which is cooled. High thermal gradients are thus generated resulting in significant thermomechanical stresses within the exhaust manifold ducts.
  • the exhaust manifold then expands and the bent ducts exert a non-uniform force on their corresponding inlet flange. On one part of the flange, are exerted compression forces, and on the other part, tensile forces. Thus, the flange is bent. The contact pressure between the inlet flange and the exhaust face of the cylinder head is then no longer uniform and can lead to gas leakage, particularly in areas of the flange subjected to tensile stresses.
  • the present invention provides a new inlet flange of an angled duct exhaust manifold for reducing exhaust gas leaks between the flange and the corresponding exhaust face of the cylinder head.
  • the solid part of the flange according to the invention provides a high stiffness connection in the traction zones of the flange.
  • the bending of the flange is thus limited.
  • the loss of contact pressure between the inlet flange of the duct and the exhaust face of the cylinder head is reduced.
  • the exhaust gas leaks between the inlet flange and the exhaust face of the cylinder head are reduced.
  • the invention also relates to an internal combustion engine comprising a flange as described above adapted to connect the inlet of a bent duct of an exhaust manifold to the exhaust face of a cylinder head.
  • an exhaust manifold 10 provided with four branches formed by conduits 11 of exhaust gas inlet.
  • Each duct 11 of the exhaust manifold 10 is bent and is connected to the exhaust face of a cylinder head 4 via an inlet flange 20, schematically materialized by a rectangle on the figure 1 .
  • each inlet flange 20 has two housings 25, 26 to be traversed by a stud.
  • a seal is provided between the inlet flange 20 and the corresponding part of the exhaust face of the cylinder head 4.
  • each inlet flange 20 is provided with a base 21 having planar and parallel lower and upper surfaces. The underside of the inlet flange 20 is intended to come into contact with the seal.
  • Each inlet flange 20 of the elbow duct 11 of the exhaust manifold has a central orifice intended to receive the upstream end, in the flow direction of the exhaust gas, of the duct 11 bent.
  • the base 21 of the inlet flange 20 is surmounted around the central orifice of a solid portion 22 which rises on a height which varies in the median plane of said duct 11 bent.
  • the median plane of the duct 11 bent is the plane containing the average line of curvature of this duct 11 bent.
  • the height of the solid part 22 varies, in the median plane of the duct 11 bent, between a maximum height of the inner side of the bend of the duct and a minimum height of the outer side of the bend of the duct (see figure 2 ).
  • the height of the solid portion 22 of the flange 20 decreases regularly between this maximum height and this minimum height.
  • the solid portion 22 is a hollow cylinder whose central opening extends the central orifice and whose upper face is truncated.
  • This solid portion 22 forms an insertion sleeve of the upstream end, in the flow direction of the exhaust gas, of the duct 11 bent.
  • this solid part 22 comes from forming with the flange 20.
  • each flange comprises two reinforcing ribs 23, 24.
  • the two reinforcing ribs 23, 24 are positioned on either side of the housing 25 and each extend from the zone of maximum height of the lateral face of the solid portion 22 to the end edge of the flange 20.
  • each reinforcing rib 23, 24 comes to form with the flange 20.
  • elbow pipes of the exhaust manifold When the engine is running, the elbow pipes of the exhaust manifold are subjected to high thermal stresses.
  • the ducts bends expand under the effect of heat and induce a non-uniform force on the corresponding inlet flange.
  • a compressive force is applied while on the other part of the flange, a tensile force is applied.
  • the zone of maximum compression of the flange 20 corresponds, in the median plane of the duct 11 bent, to the intersection of the external line of curvature 11A of the duct 11 with the solid portion 22 of the flange 20.
  • the zone of maximum traction corresponds, in the median plane of the duct 11 bent, at the intersection of the internal line of curvature 11B of the duct 11 with the solid portion 22 of the flange 20.
  • the solid part 22 therefore has a maximum height in the maximum traction zone of the flange 20 and its height is minimal in the maximum compression zone of the flange 20.
  • the height of the solid portion 22 according to the invention being greater in the areas of the flange 20 subjected to tensile stresses, these traction zones of the flange 20 are stiffened.
  • the low height of the solid portion 22 in the compression zones of the flange 20 limits the mass of the flange 20.
  • the two ribs 23, 24 make it possible to have a more regular evolution of the stress in the zones of high traction of the flange 20.
  • the inlet flanges 20 of the ducts 11 bent of this exhaust manifold 10 may be obtained by casting as well as the ribs 23, 24 of which they are provided.
  • the flange may also be part of a one-piece piece comprising a plurality of flanges of the same type for connecting a plurality of elbow pipes of the exhaust manifold.
  • the collector may itself consist of welded plates or be obtained by foundry.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Exhaust Silencers (AREA)
  • Flanged Joints, Insulating Joints, And Other Joints (AREA)

Description

  • La présente invention concerne généralement les brides d'entrée de conduits de collecteur d'échappement.
  • Elle concerne plus particulièrement une bride d'entrée d'un conduit coudé d'un collecteur d'échappement adaptée à relier ledit conduit coudé à la face d'échappement d'une culasse, cette bride d'entrée présentant un orifice central destiné à accueillir une extrémité dudit conduit coudé.
  • L'invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant une telle bride.
    • ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
  • Généralement, les moteurs à combustion interne sont pourvus d'une culasse qui enveloppe des chambres de combustion reliées en sortie à un collecteur d'échappement.
  • Le collecteur d'échappement est une pièce en fonte ou en tôle d'acier permettant de recueillir les gaz brûlés issus de la combustion. Le collecteur d'échappement comprend plusieurs conduits coudés qui sont destinés à canaliser l'écoulement des gaz brûlés issus des chambres de combustion du moteur et à les évacuer dans une ligne d'échappement.
  • Ces conduits coudés sont reliés à la face d'échappement de la culasse du moteur par des brides, appelées brides d'entrée. Chaque bride d'entrée présente généralement des surfaces inférieure et supérieure planes et parallèles. Elle comporte aussi un orifice central pour accueillir une extrémité du conduit correspondant du collecteur d'échappement. De part et d'autre de cet orifice central, il est prévu deux ouvertures traversées par des goujons pour fixer chaque bride d'entrée à la face d'échappement correspondante de la culasse.
  • Un joint est intercalé entre chaque bride d'entrée et la face d'échappement de la culasse pour garantir l'étanchéité du montage aux gaz d'échappement circulant de la face d'échappement de la culasse vers les conduits du collecteur d'échappement.
  • Lors du serrage, à l'aide des goujons, de la bride d'entrée sur la culasse, la nervure du joint d'étanchéité est écrasée et il apparaît une pression de contact sensiblement uniforme entre la bride d'entrée et la face d'échappement de la culasse.
  • Les gaz brûlés issus de la combustion dans les chambres de combustion portent les parois des conduits coudés du collecteur d'échappement à un niveau de température très élevé. À l'inverse, la bride d'entrée du collecteur d'échappement est en contact avec la culasse qui est refroidie. De forts gradients thermiques sont ainsi engendrés entraînant des contraintes thermomécaniques importantes au sein des conduits du collecteur d'échappement.
  • Le collecteur d'échappement se dilate alors et les conduits coudés exercent un effort non uniforme sur leur bride d'entrée correspondante. Sur une partie de la bride, sont exercés des efforts de compression, et sur l'autre partie, des efforts de traction. Ainsi, la bride est mise en flexion. La pression de contact entre la bride d'entrée et la face d'échappement de la culasse n'est alors plus uniforme et peut conduire à des fuites de gaz, en particulier dans les zones de la bride soumises à des efforts de traction.
    • OBJET DE L'INVENTION
  • La présente invention propose une nouvelle bride d'entrée d'un conduit coudé de collecteur d'échappement permettant de diminuer les fuites de gaz d'échappement entre cette bride et la face d'échappement correspondante de la culasse.
  • À cet effet, on propose un collecteur d'échappement selon la revendication 1.
  • Grâce à sa hauteur variable, la partie massive de la bride selon l'invention fournit une liaison de rigidité élevée dans les zones de traction de la bride. La mise en flexion de la bride est ainsi limitée. Il en résulte que la perte de pression de contact entre la bride d'entrée du conduit et la face d'échappement de la culasse est réduite.
  • Ainsi, grâce à l'invention, les fuites de gaz d'échappement entre cette bride d'entrée et la face d'échappement de la culasse sont diminuées.
  • D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la bride d'entrée selon l'invention sont les suivantes :
    • la partie massive est un cylindre dont la face supérieure est tronquée ;
    • la hauteur de ladite partie massive varie entre une hauteur maximale du côté intérieur du coude du conduit et une hauteur minimale du côté extérieur du coude du conduit ;
    • la bride comprend au moins une nervure de renfort qui s'étend depuis une zone de hauteur maximale de la face latérale de la partie massive jusqu'au bord d'extrémité de la bride ;
    • la nervure de renfort vient de formation avec la bride ;
    • la nervure de renfort est rapportée sur la bride ;
    • la bride comprend deux nervures de renfort ;
    • la partie massive vient de formation avec la bride ;
    • la partie massive est rapportée sur la bride ;
    • la bride fait partie d'une pièce monobloc comprenant une pluralité de brides du même type pour le raccordement d'une pluralité de conduits du collecteur d'échappement.
  • L'invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant une bride telle que décrite ci-dessus adaptée à relier l'entrée d'un conduit coudé d'un collecteur d'échappement à la face d'échappement d'une culasse.
    • DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION
  • La description qui va suivre en regard des dessins annexés d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
  • Sur les dessins annexés :
    • la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un collecteur d'échappement dont les conduits coudés sont reliés par des brides d'entrée selon l'invention à la culasse d'un moteur à combustion interne ; et
    • la figure 2 est une vue de détail en perspective d'une bride d'entrée selon l'invention sur laquelle est rapportée l'extrémité d'un conduit coudé du collecteur d'échappement.
  • Sur la figure 1, on a représenté un collecteur d'échappement 10, pourvu de quatre branches formées par des conduits 11 d'entrée des gaz d'échappement. Chaque conduit 11 du collecteur d'échappement 10 est coudé et est relié à la face d'échappement d'une culasse 4 par l'intermédiaire d'une bride 20 d'entrée, schématiquement matérialisée par un rectangle sur la figure 1.
  • Pour la fixation de la bride 20 d'entrée sur la face d'échappement correspondante de la culasse 4, chaque bride 20 d'entrée présente deux logements 25, 26 destinés à être traversés par un goujon. De plus, un joint d'étanchéité est prévu entre la bride 20 d'entrée et la partie correspondante de la face d'échappement de la culasse 4.
  • Comme le montre plus en détail la figure 2, chaque bride 20 d'entrée est pourvue d'une base 21 présentant des surfaces inférieure et supérieure planes et parallèles. La face inférieure de la bride 20 d'entrée est destinée à venir en contact avec le joint d'étanchéité. Chaque bride 20 d'entrée du conduit 11 coudé du collecteur d'échappement présente un orifice central destiné à accueillir l'extrémité amont, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, du conduit 11 coudé.
  • Avantageusement, selon l'invention, la base 21 de la bride 20 d'entrée est surmontée autour de l'orifice central d'une partie massive 22 qui s'élève sur une hauteur qui varie dans le plan médian dudit conduit 11 coudé. Le plan médian du conduit 11 coudé est le plan contenant la ligne moyenne de courbure de ce conduit 11 coudé.
  • La hauteur de la partie massive 22 varie, dans le plan médian du conduit 11 coudé, entre une hauteur maximale du côté intérieur du coude du conduit et une hauteur minimale du côté extérieur du coude du conduit (voir figure 2). La hauteur de la partie massive 22 de la bride 20 décroît régulièrement entre cette hauteur maximale et cette hauteur minimale.
  • Ici, la partie massive 22 est un cylindre creux dont l'ouverture centrale prolonge l'orifice central et dont la face supérieure est tronquée. Cette partie massive 22 forme un manchon d'insertion de l'extrémité amont, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, du conduit 11 coudé. Avantageusement, cette partie massive 22 vient de formation avec la bride 20.
  • En outre, chaque bride comprend deux nervures 23, 24 de renfort. Les deux nervures 23, 24 de renfort sont positionnées de part et d'autre du logement 25 et s'étendent chacune depuis la zone de hauteur maximale de la face latérale de la partie massive 22 jusqu'au bord d'extrémité de la bride 20. Ici, chaque nervure 23, 24 de renfort vient de formation avec la bride 20.
  • Lorsque le moteur fonctionne, les conduits coudés du collecteur d'échappement sont soumis à de fortes contraintes thermiques. Les conduits coudés se dilatent sous l'effet de la chaleur et induisent un effort non uniforme sur la bride d'entrée correspondante.
  • Sur une partie de la bride 20 d'entrée, s'applique un effort de compression tandis que sur l'autre partie de la bride, s'applique un effort de traction. La zone de compression maximale de la bride 20 correspond, dans le plan médian du conduit 11 coudé, à l'intersection de la ligne externe de courbure 11A du conduit 11 avec la partie massive 22 de la bride 20. De même, la zone de traction maximale correspond, dans le plan médian du conduit 11 coudé, à l'intersection de la ligne interne de courbure 11B du conduit 11 avec la partie massive 22 de la bride 20.
  • La partie massive 22 possède donc une hauteur maximale dans la zone de traction maximale de la bride 20 et sa hauteur est minimale dans la zone de compression maximale de la bride 20.
  • La hauteur de la partie massive 22 selon l'invention étant plus importante dans les zones de la bride 20 soumises à des efforts de traction, ces zones de traction de la bride 20 sont rigidifiées. La faible hauteur de la partie massive 22 dans les zones de compression de la bride 20 permet de limiter la masse de la bride 20.
  • Enfin, les deux nervures 23, 24 permettent d'avoir une évolution plus régulière de la contrainte dans les zones de traction élevée de la bride 20.
  • Ainsi, lorsque le moteur fonctionne, la mise en flexion de la bride 20 est limitée et la pression de contact entre la bride 20 et la face d'échappement de la culasse 4 est sensiblement uniforme.
  • Les brides 20 d'entrée des conduits 11 coudés de ce collecteur d'échappement 10 peuvent être obtenues par fonderie de même que les nervures 23, 24 dont elles sont pourvues.
  • En variante, il est possible pour obtenir ces brides d'entrée d'utiliser des plaques usinées puis de les souder entre elles. On peut alors prévoir que les nervures de renfort sont rapportées sur la bride. De même, on peut aussi prévoir de rapporter la partie massive sur la bride.
  • La bride peut aussi faire partie d'une pièce monobloc comprenant une pluralité de brides du même type pour le raccordement d'une pluralité de conduits coudés du collecteur d'échappement.
  • Enfin, le collecteur peut lui-même être constitué de plaques soudées ou être obtenu par fonderie.

Claims (11)

  1. Collecteur d'échappement (10) comprenant un conduit (11) coudé et une bride (20) d'entrée adaptée à relier ledit conduit (11) coudé à la face d'échappement d'une culasse (4), cette bride (20) d'entrée présentant un orifice central destiné à accueillir une extrémité dudit conduit (11) coudé et une partie massive (22) autour de l'orifice central, caractérisé en ce que la partie massive (22) s'élève sur une hauteur qui varie dans le plan médian dudit conduit (11) coudé.
  2. Collecteur d'échappement (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie massive (22) est un cylindre dont la face supérieure est tronquée.
  3. Collecteur d'échappement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur de ladite partie massive (22) varie entre une hauteur maximale du côté intérieur du coude du conduit (11) coudé et une hauteur minimale du côté extérieur du coude du conduit (11) coudé.
  4. Collecteur d'échappement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bride d'entrée (20) comprend au moins une nervure (23, 24) de renfort qui s'étend depuis une zone de hauteur maximale de la face latérale de la partie massive (22) jusqu'au bord d'extrémité de la bride (20) d'entrée.
  5. Collecteur d'échappement (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la nervure (23, 24) de renfort vient de formation avec la bride (20) d'entrée.
  6. Collecteur d'échappement (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la nervure (23, 24) de renfort est rapportée sur la bride (20) d'entrée.
  7. Collecteur d'échappement (10) selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la bride d'entrée (20) comprend deux nervures (23, 24) de renfort.
  8. Collecteur d'échappement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie massive (22) vient de formation avec la bride (20) d'entrée.
  9. Collecteur d'échappement (10) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la partie massive (22) est rapportée sur la bride (20) d'entrée.
  10. Collecteur d'échappement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bride d'entrée (20) fait partie d'une pièce monobloc comprenant une pluralité de brides d'entrée du même type pour le raccordement d'une pluralité de conduits du collecteur d'échappement.
  11. Moteur à combustion interne comprenant un collecteur d'échappement (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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