FR2823255A1

FR2823255A1 - I.C. engine exhaust manifold comprises flange for fixing on cylinder head which has localized weakened zone which breaks during first moments of engine operation

Info

Publication number: FR2823255A1
Application number: FR0104756A
Authority: FR
Inventors: Michel Serandour; Thierry Huillet
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2002-10-11
Anticipated expiration: 2021-04-09
Also published as: EP1249587A1; EP1249587B1; DE60209667T2; DE60209667D1; FR2823255B1; ES2254620T3

Abstract

The exhaust manifold comprises a flange (3) for fixing onto the cylinder head. The flange comprises a localized zone (38) which has a noticeable weakening relative to other parts of the flange so as to break during the first moments of engine operation. This weakening is obtained by making a V-shaped notch (37).

Description

Collecteur d'échappement pour moteur. Exhaust manifold for engine.

La présente invention concerne un dispositif d'échappement des gaz de combustion d'un moteur à combustion interne, équipant notamment un véhicule automobile. Elle concerne plus précisément le collecteur d'échappement, qui est la partie du dispositif d'échappement fixée sur la culasse du moteur et destinée à rassembler les gaz d'échappement sortant des différents conduits de la culasse pour les transporter, en sortie du collecteur, dans un seul conduit. The present invention relates to a device for exhausting combustion gases from an internal combustion engine, in particular fitted to a motor vehicle. It relates more precisely to the exhaust manifold, which is the part of the exhaust device fixed on the cylinder head of the engine and intended to collect the exhaust gases leaving the different conduits of the cylinder head to transport them, at the outlet of the manifold, in a single conduit.

Ces collecteurs d'échappements sont classiquement obtenus par moulage, ou éventuellement par mécano-soudure. These exhaust collectors are conventionally obtained by molding, or possibly by mechanical welding.

A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 1 un collecteur d'échappement moulé, tel que connu de l'état de la technique. For example, there is shown in Figure 1 a molded exhaust manifold, as known from the prior art.

Ce collecteur comprend un tube principal 1 dont une extrémité comporte une bride 4 de raccordement du système d'échappement situé en aval. Une pluralité de conduits 2, destinés à communiquer respectivement avec chaque conduit d'échappement de la culasse, sont raccordés sur le tube principal 1. Les conduits 2 sont maintenus sur la culasse par un système de bridage formé d'une bride 3 destinée à être fixée sur la culasse du moteur par des vis, directement vissées dans des trous taraudés de la culasse, ou par des goujons, implantés dans la culasse, et écrous vissés sur les dits goujons. De manière classique, un joint d'étanchéité est interposé entre la bride 3 et la This manifold comprises a main tube 1, one end of which has a flange 4 for connecting the exhaust system located downstream. A plurality of conduits 2, intended to communicate respectively with each exhaust conduit of the cylinder head, are connected to the main tube 1. The conduits 2 are held on the cylinder head by a clamping system formed by a flange 3 intended to be fixed to the engine cylinder head by screws, directly screwed into threaded holes in the cylinder head, or by studs, installed in the cylinder head, and nuts screwed onto the said studs. Conventionally, a seal is interposed between the flange 3 and the

culasse. cylinder head.

L'encombrement disponible dans le compartiment moteur d'une voiture, compte tenu notamment des impératifs de forme générale du véhicule, oblige à réaliser les pièces du système d'échappement sous une forme de plus en plus compacte. Par exemple, on notera sur la figure 1 que les lamages 5 d'appui des têtes de vis ou écrous ont une demi-anneau plat. The space available in the engine compartment of a car, taking account in particular of the requirements of the general shape of the vehicle, means that the parts of the exhaust system must be produced in an increasingly compact form. For example, it will be noted in FIG. 1 that the counterbores 5 for supporting the screw heads or nuts have a flat half-ring.

Cette réalisation particulière est destinée à assurer simultanément le serrage de la bride de collecteur d'échappement et de la bride de collecteur d'admission, qui s'imbriquent l'une dans l'autre, chaque vis ou écrou s'appuyant simultanément sur un lamage 5 du collecteur d'échappement et sur un lamage 6 du collecteur d'admission, placé en vis-à-vis, comme on l'a illustré en traits pointillés sur la partie gauche du dessin. This particular embodiment is intended to simultaneously tighten the exhaust manifold flange and the intake manifold flange, which overlap one another, each screw or nut resting simultaneously on a counterbore 5 of the exhaust manifold and on a counterbore 6 of the intake manifold, placed opposite, as illustrated in dotted lines on the left side of the drawing.

De cette recherche de grande compacité, il résulte, dans les pièces concernées, des contraintes thermiques et vibratoires de plus en plus importantes, pouvant notamment conduire à des fissurations et même des ruptures de ces pièces, en cours de fonctionnement, notamment sous l'effet des contraintes de dilatation différentielle entre les différentes pièces assemblées, ou au sein d'une même pièce. This search for great compactness results in increasingly significant thermal and vibration stresses in the parts concerned, which can in particular lead to cracks and even ruptures in these parts, during operation, in particular under the effect differential expansion constraints between the different assembled parts, or within the same part.

Dans les collecteurs d'échappement actuels, tels que celui représenté figure 1, pour atténuer ces contraintes dans les conduits ou à leur raccordement avec la bride, on réalise dans cette dernière un ou plusieurs traits de scie 7 qui autorisent une In current exhaust manifolds, such as that shown in FIG. 1, to reduce these stresses in the conduits or at their connection with the flange, one or more saw cuts 7 are produced in the latter which allow a

certaine mobilité relative des éléments de brides ainsi séparés, et a pour effet direct de libérer les contraintes existantes dans les dits conduits en particulier au niveau des zones de liaison entre les tubes ou conduits, dans les coudes, les nervures, etc. On réduit ainsi fortement les risques de fissuration dans ces zones relativement fragiles. certain relative mobility of the flange elements thus separated, and has the direct effect of releasing the existing stresses in the said conduits in particular at the level of the connection zones between the tubes or conduits, in the elbows, the ribs, etc. This greatly reduces the risk of cracking in these relatively fragile areas.

Mais la réalisation de ce trait de scie présente plusieurs inconvénients. En premier lieu, il n'est pas possible de réaliser cette séparation de la bride en plusieurs éléments avant de réaliser les autres usinages, tels que le planage de la face d'appui contre la culasse ou les lamages. En effet, il serait alors quasiment impossible de maintenir de manière suffisamment rigide les différents éléments d'une bride ainsi préalablement découpée, lors de ces opérations d'usinage, ou alors la complexité des moyens de bridage de la pièce sur la machine d'usinage serait telle que le coût de l'usinage serait prohibitif. But the realization of this saw cut has several drawbacks. Firstly, it is not possible to carry out this separation of the flange into several elements before carrying out the other machining operations, such as planing the bearing face against the cylinder head or the counterbores. Indeed, it would then be almost impossible to maintain the various elements of a flange thus previously cut in a sufficiently rigid manner, during these machining operations, or else the complexity of the means of clamping the part on the machining machine. would be such that the cost of machining would be prohibitive.

Par ailleurs, l'opération de sciage génère à elle seule un surcoût non négligeable pour les opérations d'usinage. Furthermore, the sawing operation alone generates a significant additional cost for the machining operations.

De plus, le sciage réalisé après le planage de la face de joint, peut libérer des contraintes internes existant à l'origine dans la pièce dans le cas de collecteurs en fonte ou acier moulé, ou résultant de l'assemblage de ses éléments constitutifs dans le cas d'une construction mécanosoudée. La libération de ces contraintes internes peut conduire à ce que la planéité d'origine de la In addition, the sawing carried out after the planing of the joint face, can release internal stresses originally existing in the part in the case of collectors in cast iron or cast steel, or resulting from the assembly of its constituent elements in the case of a mechanically welded construction. The release of these internal constraints can lead to the original flatness of the

dite face d'appui soit détruite après sciage, ou à ce que les entraxes de fixation soient modifiés. Or la planéité de 1 adite face d'appui est nécessaire pour éviter des problèmes de fuites entre culasse et collecteur, et l'entraxe précis des points de fixation est requis pour ne pas créer de gènes lors du montage en usine. said bearing face is destroyed after sawing, or that the fixing centers are modified. However, the flatness of 1 adite bearing face is necessary to avoid problems of leaks between cylinder head and manifold, and the precise spacing of the fixing points is required so as not to create genes during assembly in the factory.

La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes et vise en particulier à fournir un collecteur d'échappement présentant un risque minimal de fissuration, et sans en grever le coût. The present invention aims to solve these problems and aims in particular to provide an exhaust manifold with a minimum risk of cracking, and without increasing the cost.

Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un collecteur d'échappement pour un moteur à combustion interne, comportant une bride destinée à assurer la fixation du collecteur sur la culasse du moteur, caractérisé en ce que la bride présente une continuité de matière sur sa longueur et comporte au moins une zone de localisation prédéterminée qui présente un affaiblissement sensible, de valeur également prédéterminée, par rapport aux autres parties de la bride. With these objectives in view, the invention relates to an exhaust manifold for an internal combustion engine, comprising a flange intended to secure the collector to the cylinder head of the engine, characterized in that the flange has a continuity of material over its length and comprises at least one predetermined location zone which has a significant weakening, also of predetermined value, with respect to the other parts of the flange.

Cette zone de résistance moindre par rapport aux zones environnantes de la bride est déterminée de manière à assurer une liaison rigide entre les différentes parties de la bride, mais à se rompre naturellement lors des premières minutes ou premières heures de fonctionnement du moteur, sous l'effet des contraintes thermiques et vibratoires générées par le fonctionnement. This zone of less resistance compared to the surrounding zones of the flange is determined so as to ensure a rigid connection between the different parts of the flange, but to rupture naturally during the first minutes or first hours of engine operation, under the effect of thermal and vibration stresses generated by operation.

La rupture est ainsi en quelque sorte guidée, The rupture is thus somehow guided,

et localisée précisément à l'endroit souhaité, prédéterminé pour assurer les meilleures conditions de dilatations différentielles ultérieures, c'est-àdire pour permettre au collecteur de se dilater et d'accepter des contraintes vibratoires en fonctionnement courant du moteur, sans risque de fissurations non maîtrisées dans des zones où cela serait rédhibitoire pour la fiabilité du collecteur. and located precisely at the desired location, predetermined to ensure the best conditions for subsequent differential expansion, that is to say to allow the collector to expand and accept vibrational stresses in current engine operation, without risk of non-cracking controlled in areas where this would be prohibitive for the reliability of the collector.

Par contre, avant que cette rupture se produise, la bride de collecteur reste un élément de pièce d'un seul tenant, assurant la géométrie requise pour une planéité optimale de la face d'appui de la bride et pour le positionnement correct du collecteur sur la culasse lors de sa fixation. On the other hand, before this rupture occurs, the manifold flange remains a single piece piece, ensuring the geometry required for optimal flatness of the support face of the flange and for the correct positioning of the manifold on the cylinder head when it is fixed.

Préférentiellement, le dit affaiblissement est obtenu par une diminution de la section de la bride, elle même préférentiellement obtenue par une entaille transversale laissant subsister une section de matière offrant une résistance à la rupture à la traction comprise dans une fourchette prédéterminée. Pratiquement, la résistance à la rupture de la matière subsistante au niveau de l'entaille doit être bien évidemment inférieure à celle des zones voisines, pour que la rupture recherchée se réalise bien à l'endroit souhaité et non ailleurs de manière incontrôlée. Elle doit aussi être supérieure à un seuil minimum prédéterminé, de manière que la rupture ne puisse pas se produire avant fixation du collecteur sur la culasse. En particulier, la résistance de la zone affaiblie doit être suffisante pour supporter sans se rompre les contraintes générées lors des opérations de fabrication ou Preferably, said weakening is obtained by a reduction in the section of the flange, itself preferentially obtained by a transverse notch leaving a section of material offering a tensile strength within a predetermined range. In practice, the resistance to rupture of the remaining material at the level of the notch must obviously be lower than that of the neighboring zones, so that the desired rupture is achieved in the desired location and not elsewhere in an uncontrolled manner. It must also be greater than a predetermined minimum threshold, so that failure cannot occur before the manifold is attached to the cylinder head. In particular, the resistance of the weakened zone must be sufficient to withstand without breaking the stresses generated during manufacturing operations or

d'usinage du collecteur.
Selon une disposition encore préférée, l'entaille est ménagée du côté de la face d'appui du collecteur. La situation de l'entaille de ce côté de la bride est particulièrement favorable pour faciliter la cassure, d'autant plus lorsque l'entaille est réalisée au niveau d'un organe de fixation, dont le serrage provoque localement un effet de flexion de la bride, propre à ouvrir l'entaille. machining of the collector.
According to a more preferred arrangement, the notch is formed on the side of the support face of the collector. The situation of the notch on this side of the flange is particularly favorable to facilitate breakage, all the more when the notch is produced at the level of a fixing member, the tightening of which locally causes a bending effect of the flange, suitable for opening the notch.

Selon une autre disposition préférentielle, l'entaille a une section en V , dont le fond présente en conséquence une arête relativement vive, constituant une nette amorce de rupture pour la cassure désirée. According to another preferred arrangement, the notch has a V-shaped section, the bottom of which consequently has a relatively sharp edge, constituting a clear initiation of rupture for the desired break.

Dans une première forme de réalisation de l'entaille, la diminution de section est obtenue lors du moulage du collecteur. Ce procédé de réalisation particulièrement avantageux permet d'éviter toute opération spécifique d'obtention de l'entaille, et ne crée donc aucun surcoût. In a first embodiment of the notch, the reduction in section is obtained during the molding of the manifold. This particularly advantageous production method makes it possible to avoid any specific operation for obtaining the notch, and therefore does not create any additional cost.

Alternativement, la diminution de section peut être réalisée, par exemple sous la forme d'une simple amorce de rupture, par un outillage spécifique adapté, tel que un coupe de lame ou de poinçon effectué en fin d'opération de parachèvement ou d'ébavurage de la pièce après démoulage. Alternatively, the reduction in section can be carried out, for example in the form of a simple initiation of rupture, by a specific suitable tool, such as a blade or punch cut made at the end of the finishing or deburring operation. of the part after demolding.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite Other characteristics and advantages will appear in the description which will be given.

d'un exemple de réalisation d'un collecteur d'échappement conforme à l'invention, comportant quatre conduits raccordés sur un tube principal. of an exemplary embodiment of an exhaust manifold according to the invention, comprising four conduits connected to a main tube.

On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue de face d'un collecteur selon l'art antérieur, déjà décrit au début de ce mémoire, - la figure 2 est une vue en perspective d'un collecteur d'échappement conforme à l'invention,

- la figure 3 est une vue de dessus de ce collecteur. Reference will be made to the appended drawings in which: FIG. 1 is a front view of a collector according to the prior art, already described at the beginning of this thesis, - FIG. 2 is a perspective view of a collector of exhaust according to the invention,

- Figure 3 is a top view of this collector.

Le collecteur selon l'invention, représenté aux figures 1 et 2 comporte un tube principal 1 sur lequel sont raccordés quatre conduits 2. La bride 3 de fixation du collecteur sur la culasse, non représentée, d'un moteur à combustion interne, comporte quatre éléments de bridage 31, réalisés en fonderie d'une seule pièce avec les conduits 2 et le tube principal 1. Chaque élément de bridage comporte, de manière classique, un orifice de communication avec un conduit 2 respectif. The manifold according to the invention, shown in FIGS. 1 and 2 comprises a main tube 1 to which four conduits are connected 2. The flange 3 for fixing the manifold to the cylinder head, not shown, of an internal combustion engine, comprises four clamping elements 31, made in a single piece foundry with the conduits 2 and the main tube 1. Each clamping element comprises, in a conventional manner, an orifice for communication with a respective conduit 2.

Dans le cas d'une réalisation mécano-soudée, la bride 3 est formée par découpe d'une tôle épaisse, sur laquelle les conduits 2 sont ensuite soudés. In the case of a mechanically welded embodiment, the flange 3 is formed by cutting a thick sheet, onto which the conduits 2 are then welded.

La fixation du collecteur sur la culasse est assurée de manière classique par des goujons et écrous, ou par des vis. La bride 3 comporte plusieurs trous 32 ou échancrures 33 de forme demi-cylindrique, pour le passage des tiges des dits goujons ou vis. The collector is fixed to the cylinder head in a conventional manner by studs and nuts, or by screws. The flange 3 has several holes 32 or notches 33 of semi-cylindrical shape, for the passage of the rods of said studs or screws.

Les échancrures 33 de forme demi cylindrique sont destinées à coopérer avec des échancrures similaires, réalisées sur un collecteur d'admission et situées en correspondance lors du montage des dits collecteurs pour former ensemble des trous cylindriques. Par ailleurs, au niveau de chacun de ces trous ou échancrures, un lamage 5 est réalisé pour service de surface d'appui à la tête de la vis ou à l'écrou de fixation. The notches 33 of semi-cylindrical shape are intended to cooperate with similar notches, produced on an intake manifold and located in correspondence during the mounting of said collectors to form cylindrical holes together. Furthermore, at each of these holes or notches, a countersink 5 is produced for the service of a bearing surface for the head of the screw or for the fixing nut.

Une entaille 37 est réalisée dans la bride au niveau de l'échancrure 33 située vers le milieu de celle-ci. Cette entaille, formée lors du moulage, débouche du côté de la face d'appui 35 de la bride et à une section de forme générale en V , comme on le voit bien figure 3. La section de matière 38 subsistante à cet endroit est sensiblement réduite, et d'autant plus que l'entaille est formée juste au niveau de l'échancrure du passage de vis et du lamage correspondant. On obtient ainsi l'affaiblissement conforme à l'invention, propice à la rupture lors du fonctionnement ultérieur du moteur, comme indiqué précédemment. A notch 37 is made in the flange at the notch 33 located towards the middle of the latter. This notch, formed during molding, opens on the side of the bearing face 35 of the flange and in a generally V-shaped section, as can be seen in FIG. 3. The section of material 38 remaining at this location is substantially reduced, and all the more that the notch is formed just at the notch of the screw passage and the corresponding counterbore. The attenuation according to the invention is thus obtained, which is conducive to rupture during the subsequent operation of the engine, as indicated above.

L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. En particulier, d'autres entailles similaires pourraient être réalisées sur la bride, au niveau d'autres trous ou échancrures, ou en d'autres endroits de la bride propices à développer une rupture susceptible de réduire les contraintes thermiques ou vibratoires dans les autres parties du collecteur. La forme et l'orientation de l'entaille pourraient aussi être modifiées, en fonction des formes propres des The invention is not limited to the embodiment which has just been described. In particular, other similar notches could be made on the flange, at the level of other holes or notches, or in other places of the flange conducive to developing a rupture capable of reducing the thermal or vibratory stresses in the other parts. of the collector. The shape and orientation of the notch could also be modified, depending on the proper shapes of the

collecteurs. collectors.

Claims

1. Exhaust manifold, for an internal combustion engine, comprising a flange (3) intended to secure the collector to the cylinder head of the engine, characterized in that the flange has a continuity of material over its length and comprises at minus a zone (38) of predetermined location which has a significant weakening, also of predetermined value, with respect to the other parts of the flange.

2. exhaust manifold according to claim 1, characterized in that said weakening (38) is obtained by a localized reduction in the section of the flange.

3. exhaust manifold according to claim 2, characterized in that the reduction in section is obtained by a transverse notch (37) leaving a section of material (38) offering a tensile breaking strength included in a range predetermined.

4. Exhaust manifold according to claim 3, characterized in that the notch (37) is formed on the side of the bearing face (35) of the manifold.

5. Exhaust manifold according to claim 3, characterized in that the notch (37) has a V-shaped section.

6. exhaust manifold according to claim 1, characterized in that the weakening (38) is carried out in a zone (33) intended to receive means for fixing the manifold to the cylinder head.

7. exhaust manifold according to claim 2, characterized in that the reduction in section is obtained during molding of the manifold.

8. Exhaust manifold according to claim 2, characterized in that the reduction in section is achieved by a tool adapted during operations to complete the part after demolding.