FR2849469A1 - Collecteur d'echappement de vehicule automobile comportant des conduits non-porteurs - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un collecteur d'échappement (28, 30) de véhicule automobile, qui relie des orifices de sortie (C1 - C4) de gaz d'échappement d'une culasse (14) de moteur à combustion interne (10) à un orifice d'alimentation d'un turbocompresseur (18, 20), du type dans lequel au moins un orifice d'admission (02), dit porteur, du collecteur 'échappement (28, 30) est fixé directement sur la culasse (14), et dans lequel le collecteur (28, 30) est un élément structurel rigide qui supporte un turbocompresseur (18, 20), caractérisé en ce qu'un autre orifice d'admission (36, 38), dit non-porteur, du collecteur d'échappement (28, 30) est raccordé à la culasse (14) par un conduit rapporté (40, 42) dont un orifice d'entrée des gaz d'échappement (O1, 03, 04) est raccordé à la culasse (14) et dont un orifice de sortie des gaz d'échappement (50, 52) est raccordé à l'orifice non-porteur d'admission (36, 38) du collecteur d'échappement (28, 30) de manière que seul l'orifice d'entrée porteur (02) réalise la liaison mécanique rigide entre le turbocompresseur (18, 20) et I culasse (14).
Description
i
"Collecteur d'échappement de véhicule automobile comportant des conduits non-porteurs" L'invention concerne un moteur à combustion interne de véhicule automobile suralimenté par un turbocompresseur.
L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne de véhicule automobile suralimenté par un turbocompresseur, du type dans lequel le moteur comporte une culasse comprenant plusieurs canaux d'évacuation de gaz d'échappement qui sont chacun raccordés à un orifice 10 d'admission d'un collecteur d'échappement qui est raccordé à un orifice d'alimentation réalisé dans le carter du turbocompresseur, et du type dans lequel au moins un orifice d'admission porteur du collecteur d'échappement est fixé directement sur la culasse par des moyens de fixation, et dans lequel le collecteur est un 15 élément structurel rigide qui supporte au moins en partie le turbocompresseur. Il est fréquent que les moteurs à combustion interne soient suralimentés par un turbocompresseur de façon à améliorer leurs performances. Le turbocompresseur permet notamment 20 d'augmenter leur rendement et leur puissance.
Selon une structure générale connue de l'état de la technique, le turbocompresseur comporte une turbine et un compresseur qui sont portés par un arbre de turbocompresseur.
La turbine est logée dans un carter de turbine sensiblement de 25 révolution cylindrique qui comporte généralement un orifice tangentiel d'alimentation de la turbine.
Le turbocompresseur est entraîné en rotation par les gaz d'échappement qui résultent de la combustion du carburant dans les chambres de combustion du moteur et qui sont conduits 30 jusqu'à l'orifice d'alimentation du carter de turbine. Les gaz d'échappement sont expulsés des chambres de combustion par l'intermédiaire de canaux d'échappement traversant la culasse du moteur, puis ils sont recueillis par un collecteur d'échappement qui les guide depuis la culasse jusqu'au turbocompresseur.
Le collecteur d'échappement est principalement constitué d'au moins un conduit qui est destiné à canaliser l'écoulement des gaz d'échappement jusqu'au turbocompresseur, et de deux brides de fixation du conduit. Le conduit comporte au moins un 5 orifice d'entrée qui est raccordé aux canaux d'échappement de la culasse, et il comporte un orifice de sortie qui est raccordé au turbocompresseur. La première bride de fixation, dite bride amont en référence au sens d'écoulement des gaz, permet de fixer, et de 1o raccorder de manière étanche, l'orifice d'entrée du conduit sur une paroi externe de la culasse du moteur. La seconde bride de fixation, dite bride aval, permet de fixer, et de raccorder de manière étanche, l'orifice de sortie du conduit au turbocompresseur. Le collecteur a aussi pour fonction de supporter, au moins partiellement, le poids du turbocompresseur. Ainsi, le poids et les efforts exercés par le turbocompresseur sont transmis à la culasse successivement par l'intermédiaire de la bride aval, du conduit, puis de la bride amont. Le collecteur d'échappement est 20 aussi conçu de façon à résister aux vibrations produites par le turbocompresseur. Il est connu que le collecteur d'échappement, c'est-à-dire le ou les conduits et les deux brides amont et aval de fixation, soit réalisé en une seule pièce, par exemple en une pièce de fonderie 25 en fonte ou en acier.
Cependant, les gaz d'échappement qui circulent dans le collecteur ont une température élevée, et les caractéristiques mécaniques du collecteur d'échappement sont modifiées à ces températures. Par exemple la résistance mécanique du collecteur 30 d'échappement aux sollicitations mécaniques du turbocompresseur est sensiblement diminuée. De plus, ces effets néfastes de la température sont favorisés par les formes très massives des brides amont et aval de fixation obtenues en fonderie. En outre, les moteurs devenant de plus en plus compacts, la place disponible pour l'implantation du turbocompresseur, et plus généralement des systèmes d'échappement, est de plus en plus restreinte. Le rapprochement physique entre le 5 turbocompresseur et la culasse impose un collecteur d'échappement plus court. La bride aval qui permet de fixer le turbocompresseur sur le collecteur d'échappement devient alors difficilement réalisable en fonderie à cause des contraintes techniques liées à la forme compacte et complexe du collecteur 10 d'échappement.
Enfin, lorsque le véhicule est équipé d'un dispositif de dépollution des gaz d'échappement du type catalyseur, il est généralement nécessaire que les gaz d'échappement provoquent la montée rapide en température de ce dispositif au-delà d'une 15 température d'amorçage pour que le dispositif devienne efficace.
Or, les collecteurs réalisés en fonte ou en acier ont une inertie thermique très élevée, c'est-à-dire que la température du conduit augmente lentement. Tant que le collecteur n'est pas chaud, les gaz d'échappement sont refroidis lorsqu'ils circulent 20 dans le collecteur. Ainsi, le catalyseur ne peut atteindre sa température d'amorçage qu'après que le collecteur ait été chauffé. Un tel collecteur est donc préjudiciable pour les performances du catalyseur.
Il est aussi connu d'utiliser des turbocollecteurs. Il s'agit 25 d'un turbocompresseur comportant un collecteur d'échappement qui est réalisé venu de matière avec le carter de turbine. Les gaz d'échappement sont alors collectés directement à l'entrée d'alimentation du turbocompresseur par plusieurs conduits d'entrée intégrés au turbocollecteur. Il n'y a ainsi qu'une seule 30 bride amont de fixation entre le turbocollecteur et la culasse. Le problème de l'encombrement des pièces réalisées en fonderie est partiellement résolu.
Cependant, la réalisation d'un tel dispositif est très onéreuse. Afin de résister à la température très élevée des gaz d'échappement circulant dans ces conduits, le carter de turbine du turbocollecteur est en effet réalisé avec un alliage spécifique très onéreux, et la réalisation de carter de turbine avec ce type d'alliage entraîne généralement de nombreux rebuts ce qui 5 provoque une augmentation du cot de fabrication du tu rbocollecteu r.
De plus, la partie du turbocollecteur formant collecteur d'échappement est réalisée venu de matière avec le carter du turbocompresseur qui est généralement en fonte. Un tel 10 turbocollecteur ne résout donc pas le problème lié à l'inertie thermique du collecteur d'échappement.
Il est aussi connu que le collecteur d'échappement soit principalement constitué d'un conduit et de deux brides amont et aval séparées. Les brides amont et aval sont fixées par soudage 15 sur le conduit qui est par exemple réalisé en tôle, notamment de façon à être compact.
Un conduit en tôle a une inertie thermique très faible, c'est-à-dire que la température du conduit augmente très rapidement. Ainsi, les gaz d'échappement dissipent très peu de 20 chaleur lorsqu'ils circulent dans un tel collecteur d'échappement car il ne reste pas froid longtemps. Ceci permet aux gaz d'échappement d'amorcer, rapidement après le démarrage du moteur, un catalyseur situé en aval du turbocompresseur.
Cependant, un turbocompresseur a une masse importante 25 qui nécessite des moyens de maintien rigides et résistants pour résister aux sollicitations vibratoires. Or, le conduit en tôle n'a pas une rigidité, ni une résistance, suffisantes pour supporter les contraintes mécaniques du turbocompresseur. Un tel collecteur d'échappement n'est donc pas susceptible de supporter 30 longtemps un turbocompresseur sans dommage.
Afin de résoudre ces problèmes, l'invention propose un moteur du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'au moins un autre orifice d'admission, dit non-porteur, du collecteur d'échappement est raccordé à la culasse par l'intermédiaire d'un conduit rapporté dont au moins un orifice d'entrée des gaz d'échappement est raccordé à la culasse et dont un orifice de sortie des gaz d'échappement est raccordé à l'orifice nonporteur d'admission du collecteur d'échappement de manière que seul 5 l'orifice d'entrée porteur réalise la liaison mécanique rigide entre le turbocompresseur et la culasse.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les moyens de fixation de l'orifice d'entrée porteur sur la culasse sont constitués par une bride réalisée venu de matière 10 avec le collecteur d'échappement; - le collecteur d'échappement est réalisé venu de matière avec le carter du turbocompresseur; - le collecteur d'échappement est une pièce de fonderie - les conduits rapportés sont réalisés en tôle mince; - le collecteur d'échappement comporte un premier orifice non-porteur d'admission qui est raccordé à un canal d'échappement de la culasse par l'intermédiaire d'un premier conduit rapporté simple comportant un seul orifice d'entrée, et en ce que le collecteur d'échappement comporte un second orifice 20 non-porteur d'admission qui est raccordé à deux canaux d'échappement par l'intermédiaire d'un second conduit rapporté double en " Y " comportant deux orifices d'entrée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui 25 suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue en perspective qui représente une culasse de moteur sur laquelle est fixée un turbocollecteur réalisé selon les enseignements de l'invention; - la figure 2 est une vue opposée en perspective éclatée des composants du turbocollecteur de la figure 1.
Dans la suite de la description, on utilisera à titre non limitatif une orientation longitudinale, verticale et transversale selon le trièdre L, V, T de la figure 1.
On a représenté à la figure 1 un moteur 10 suralimenté par un turbocollecteur 12 qui est alimenté par les gaz d'échappement du moteur 10.
Le moteur 10 comporte notamment une culasse 14 5 d'orientation globalement transversale selon la figure 1. La culasse 14 comporte quatre canaux Cl à C4 d'évacuation des gaz d'échappement qui sont destinés à évacuer les gaz d'échappement, depuis les chambres de combustion du moteur 10 chacun jusqu'à un orifice de sortie des gaz d'échappement qui 1o débouche dans une face externe supérieure 16 de la culasse 14 qui est ici d'orientation globalement transversale et légèrement incliné par rapport à la verticale autour d'un axe longitudinal.
De façon connue, le turbocollecteur 12 comporte une turbine 18 et un compresseur 20 carénés qui forment 15 turbocompresseur, et qui sont reliés mécaniquement par un arbre de turbocompresseur (non représenté) d'axe sensiblement longitudinal A. La turbine 18 qui est alimentée par les gaz d'échappement, est notamment destinée à entraîner le compresseur 20 en rotation autour de l'arbre de 20 turbocompresseur.
Le turbocollecteur 12 est fixé à la face externe 16 de la culasse 14. L'ensemble formé par la turbine 18 et par le compresseur 20 est situé sensiblement au-dessus de la face externe 16 de la culasse 14.
Nous allons maintenant décrire en détail le turbocollecteur 12 en référence à la figure 2.
La turbine 18 est portée par un carter de turbine 22 de forme globalement cylindrique de révolution dont l'axe correspond à l'axe longitudinal A de l'arbre de turbocompresseur. Le carter 30 de turbine 22 porte un carter de compresseur 24 qui est ici fixé sur une face latérale située à droite du carter de turbine 22 en regardant la figure 2.
La face axiale du carter de turbine 22 comporte un orifice tangentiel 26 d'alimentation en gaz d'échappement. Une tubulure 28 d'alimentation en gaz d'échappement s'étend de façon sensiblement verticale et tangentielle vers le bas depuis l'orifice d'alimentation 26 du carter de turbine 22. La tubulure d'alimentation 28 comporte un coude inférieur 30 situé 5 sensiblement à la même altitude que les canaux d'évacuation Cl à C4, et à partir duquel s'étend une partie transversale 32 de la tubulure d'alimentation en gaz d'échappement 28. Une extrémité libre de la tubulure d'alimentation 28 qui est située au bout de la partie transversale 32, comporte un orifice 02 d'admission des 10 gaz d'échappement qui est destiné à être fixé sur la culasse 14, et plus particulièrement à la sortie du canal d'évacuation C2.
Le pourtour de l'orifice d'admission des gaz d'échappement 02 comporte une bride de fixation principale B2 dans laquelle des trous 34 d'axe transversal ont été réalisés afin de fixer le 15 turbocollecteur 12 sur la face externe 16 de la culasse 14 au moyen de vis de fixation.
La tubulure d'alimentation en gaz d'échappement 28 et la bride de fixation principale B2 sont ici réalisées venu de matière avec le carter de turbine 22.
Le coude 30 comporte aussi deux orifices latéraux opposés d'axe longitudinal, à droite 36 et à gauche 38 selon la figure 2, d'admission des gaz d'échappement. Ces deux orifices latéraux d'admission 36 et 38 sont destinés à être reliés aux canaux d'évacuation Cl, C3 et C4 de la culasse 14 par l'intermédiaire de 25 conduits rapportés 40, 42.
Le pourtour de chaque orifice latéral d'admission 36, 38 forme bride de fixation par l'intermédiaire de laquelle chaque conduit rapporté 40, 42 est destiné à être fixé au turbocollecteur 12, par exemple par soudage.
Les deux conduits rapportés 40, 42 qui sont raccordés aux deux orifices latéraux d'admission 36, 38 du turbocollecteur 12 sont avantageusement réalisés en tôle mince.
Le premier conduit rapporté 40, représenté à droite à la figure 2, comporte un orifice 01 d'entrée des gaz d'échappement qui est raccordé à la culasse 14, et plus particulièrement à la sortie du canal d'évacuation Cl, par l'intermédiaire d'une première bride de fixation rapportée BI comme représenté à la figure 1. Le premier conduit rapporté 40 comporte aussi un 5 second orifice de sortie 50 qui est raccordé à l'orifice latéral droit d'admission 36 du turbocollecteur 12.
Le deuxième conduit rapporté 42 qui est représenté à gauche sur la figure 2, comporte à sa première extrémité un premier orifice 04 d'entrée des gaz d'échappement qui est 10 raccordé à la culasse 14, et plus particulièrement à la sortie du canal d'évacuation C4, par l'intermédiaire d'une seconde bride de fixation rapportée B4 et il comporte, à sa seconde extrémité, un orifice de sortie 52 qui est raccordé à l'orifice latéral gauche d'admission 38 du turbocollecteur 12.
Le deuxième conduit rapporté 42 comporte ici une ramification 54 dont une première extrémité est connectée sensiblement au milieu du conduit rapporté 42 de manière à un "Y", et dont une seconde extrémité proximale libre comporte un orifice 03 d'entrée des gaz d'échappement qui est destiné à être 20 fixé à la culasse 14, et plus particulièrement à la sortie du canal d'évacuation C3, par l'intermédiaire d'une troisième bride de fixation rapportée B3.
Les trois brides de fixation rapportées B1, B3 et B4 sont des éléments indépendants qui sont fixés, par exemple par 25 soudage, aux orifices d'entrée des gaz d'échappement 01, 03 et 04 des conduits rapportés 40, 42 et qui sont fixés par des vis de fixation à la culasse 14.
Ainsi, la tubulure d'alimentation 28 et les conduits rapportés 40, 42 forment collecteur d'échappement.
Selon ce mode de réalisation de l'invention, le carter de turbine 22 est une pièce de fonderie réalisée en fonte.
La bride principale de fixation B2 est destinée à supporter la majeure partie du poids du turbocollecteur 12. Afin de renforcer la rigidité de l'ensemble formé par la bride B2, la tubulure d'alimentation 28 et le carter de turbine 22, le turbocollecteur 12 comporte ici une première nervure supérieure 44 de renfort qui s'étend dans un plan transversal entre une partie supérieure de la bride de fixation B2 et la tubulure d'alimentation 28, depuis le coude 30 jusqu'au carter de turbine 22.
Le turbocollecteur 12 comporte aussi une seconde nervure inférieure 46 de renfort qui est coplanaire à la première nervure 44 et qui s'étend entre une partie inférieure de la bride de fixation B2 et la partie transversale 32 de la tubulure d'alimentation en 10 gaz d'échappement 28 jusqu'au coude 30.
Afin de soulager la bride de fixation B2 d'une partie des efforts créés par le turbocollecteur 12, le turbocollecteur 12 comporte ici une béquille 48 globalement transversale qui est fixée au bas du carter de turbine 22, et qui est destinée à être 15 appuyée contre la culasse 14 du moteur 10.
Nous allons à présent décrire le fonctionnement du moteur équipé d'un tel turbocollecteur 12 en référence à la figure 1.
Les gaz d'échappement sont expulsés sous pression par les canaux d'évacuation Cl, C2, C3 et C4, et ils sont guidés par 20 les conduits rapportés 40, 42, ainsi que par la partie transversale inférieure 32 de la tubulure d'alimentation 28, depuis la face externe 16 de la culasse 14 jusqu'au coude 30 de la tubulure d'alimentation 28.
Le coude 30 collecte alors les gaz d'échappement qui sont 25 ensuite conduits jusqu'à l'orifice d'alimentation en gaz d'échappement 26 du carter de turbine 22 par l'intermédiaire de la partie verticale de la tubulure d'alimentation 28.
Les gaz d'échappement sous pression entraînent alors en rotation la turbine 18 qui entraîne elle-même le compresseur 20 30 en rotation par l'intermédiaire de l'arbre de turbocompresseur.
La majorité des efforts créés par la turbine 18 et par le compresseur 20, par exemple le poids ou les vibrations, sont transmis à la culasse 14 par l'intermédiaire de la tubulure d'alimentation 28 qui forme support de la turbine 18 et du compresseur 20, puis par l'intermédiaire de la bride principale de fixation B2 qui maintient le turbocollecteur 12 en position par rapport à la culasse 14.
Les nervures supérieure 44 et inférieure 46 sont destinées s à renforcer la structure du turbocollecteur 12 et notamment la tubulure d'alimentation 28.
Le reste des efforts créés par la turbine 18 et par le compresseur 20 sont globalement transmis à la culasse 14 par l'intermédiaire de la béquille 48.
Les conduits en tôle 40 et 42 ne transmettent sensiblement pas d'effort depuis le turbocollecteur 12 jusqu'à la culasse 14.
Ainsi les trois brides de fixation rapportées B1, B3 et B4 sont principalement destinées à maintenir les conduits rapportés 40, 42 par rapport aux orifices de sortie des canaux d'évacuation CI, 15 C3 et C4.
Un tel turbocollecteur 12 est plus léger qu'un turbocollecteur 12 dont tous les conduits sont réalisés en fonte.
De plus, le turbocollecteur 12 est maintenu en position par la seule bride principale B2. Ainsi, l'opération d'assemblage du 20 turbocollecteur 12 sur le moteur 10 est simplifiée.
De plus, l'inertie thermique des conduits rapportés en tôle 40, 42 est très faible du fait de la faible épaisseur de matériau, c'est- à-dire que lorsque des gaz d'échappement circulent à l'intérieur des conduits rapportés 40, 42, la température de la tôle 25 augmente rapidement par rapport à la température de conduits analogues réalisés en fonte.
Lorsque le moteur 10 est équipé d'un catalyseur situé en aval de la turbine 18, il est nécessaire pour amorcer son fonctionnement que la température des gaz d'échappement soit 30 supérieure à une température de seuil.
Grâce à la faible inertie thermique des conduits rapportés 40, 42, les gaz d'échappement perdent peu de calories pour chauffer ces conduits 40, 42, et la température des gaz d'échappement circulant dans le catalyseur atteint donc la température de seuil rapidement après le démarrage du véhicule.
Le catalyseur peut ainsi être amorcer plus rapidement après le démarrage du véhicule.
Selon une variante de l'invention, la turbine 18 et le 5 compresseur 20 formant alors turbocompresseur, et le collecteur d'échappement sont deux pièces réalisées séparément. Le collecteur d'échappement est fixé à l'orifice d'alimentation 26 du turbocompresseur par l'intermédiaire d'une bride de fixation de sortie. Le collecteur d'échappement est alors une pièce de fonderie réalisée en fonte qui comporte un conduit principal portant à une première extrémité proximale un orifice 02 d'admission des gaz d'échappement et à une seconde extrémité distale un orifice de sortie des gaz d'échappement.
Le conduit principal comporte aussi deux orifices latéraux d'admission 36, 38 qui sont raccordés chacun à un conduit rapporté 40, 42 qui est réalisé en tôle mince.
Claims (6)
1. Collecteur d'échappement (28, 30) de véhicule automobile, qui relie au moins un orifice de sortie (Cl - C4) de gaz d'échappement d'une culasse (14) de moteur à combustion 5 interne (10) à un orifice d'alimentation d'un turbocompresseur (18, 20), du type dans lequel au moins un orifice d'admission (02), dit porteur, du collecteur d'échappement (28, 30) est fixé directement sur la culasse (14) par des moyens de fixation (B2), et dans lequel le collecteur (28, 30) est un élément structurel rigide qui 10 supporte au moins en partie un turbocompresseur (18, 20), caractérisé en ce qu'au moins un autre orifice d'admission (36, 38), dit non-porteur, du collecteur d'échappement (28, 30) est raccordé à la culasse (14) par l'intermédiaire d'un conduit rapporté (40, 42) dont au moins un orifice d'entrée des gaz 15 d'échappement (01, 03, 04) est raccordé à la culasse (14) et dont un orifice de sortie des gaz d'échappement (50, 52) est raccordé à l'orifice non-porteur d'admission (36, 38) du collecteur d'échappement (28, 30) de manière que seul l'orifice d'entrée porteur (02) réalise la liaison mécanique rigide entre le 20 turbocompresseur (18, 20) et la culasse (14).
2. Collecteur (28, 30) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de fixation de l'orifice d'entrée porteur (02) sur la culasse (14) sont constitués par une bride (B2) réalisée venu de matière avec le collecteur d'échappement (28, 25 30).
3. Collecteur (28, 30) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé venu de matière avec le carter du turbocompresseur (22).
4. Collecteur (28, 30) selon l'une des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que le collecteur d'échappement (28, 30) est une pièce de fonderie.
5. Collecteur (20, 30) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits rapportés (40, 42) sont réalisés en tôle mince.
6. Collecteur (20, 30) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un premier orifice non- porteur d'admission (36) qui est raccordé à un canal d'échappement (CI) de la culasse (14) par l'intermédiaire d'un 5 premier conduit rapporté (40) simple comportant un seul orifice d'entrée (01), et en ce que le collecteur d'échappement (28, 30) comporte un second orifice non-porteur d'admission (38) qui est raccordé à deux canaux d'échappement (C3, C4) par l'intermédiaire d'un second conduit rapporté (42) double en " Y " 10 comportant deux orifices d'entrée (03, 04).
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