FR2863307A1 - Motor vehicle`s internal combustion engine, has exhaust manifold comprising connection tube that is fixed on inner wall and not welded on upstream flange provided on axial downstream end section of outlet tube - Google Patents
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Abstract
Description
"Moteur équipé d'un collecteur d'échappement dont le conduit"Engine equipped with an exhaust manifold whose duct
de sortie est pourvu d'une conduite de liaison" La présente invention concerne un moteur à combustion interne comportant un collecteur d'échappement en tôle. The present invention relates to an internal combustion engine having an exhaust manifold made of sheet metal.
La présente invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne de véhicule automobile comportant un collecteur d'échappement en tôle dont le conduit de sortie est raccordé à un élément de conduit aval, et du type dans lequel le tronçon d'extrémité aval du conduit de sortie et le tronçon io d'extrémité amont de l'élément de conduit aval sont pourvus respectivement d'une bride amont et d'une bride aval qui sont serrées axialement l'une contre l'autre. The present invention more particularly relates to an internal combustion engine of a motor vehicle having a sheet metal exhaust manifold whose outlet duct is connected to a downstream duct element, and of the type in which the downstream end section of the duct the outlet and the upstream end portion of the downstream conduit member are respectively provided with an upstream flange and a downstream flange which are axially clamped against each other.
Le raccordement du collecteur d'échappement avec l'élément du conduit aval, tel qu'un turbocompresseur, pose 15 plusieurs problèmes techniques. The connection of the exhaust manifold with the downstream conduit member, such as a turbocharger, poses several technical problems.
Un premier problème est qu'il est nécessaire d'assurer une bonne étanchéité entre le collecteur et le turbocompresseur alors que les gaz d'échappement qui circulent dans ces éléments ont une très haute température. A first problem is that it is necessary to ensure a good seal between the collector and the turbocharger while the exhaust gases flowing in these elements have a very high temperature.
L'étanchéité est généralement assurée par des joints qui sont serrés axialement entre les deux brides de raccordement. Sealing is generally provided by seals which are axially clamped between the two connecting flanges.
Toutefois, compte tenu des très hautes températures atteintes par le collecteur d'échappement et par le turbocompresseur, on constate que les systèmes classiques qui réalisent l'étanchéité deviennent de moins en moins efficaces au cours du temps, en raison notamment des fortes dilatations et des fortes déformations des brides de raccordement, ce qui créé des passages de fuite. However, given the very high temperatures reached by the exhaust manifold and the turbocharger, it is found that the conventional systems that achieve sealing become less and less effective over time, due in particular to the large expansions and strong deformations of the connection flanges, creating leakage passages.
On observe donc fréquemment une dégradation rapide des 30 joints telle que des ruptures, un aplatissement total par un effet de recuit, etc. Pour résoudre ces problèmes, il est nécessaire d'utiliser des systèmes d'étanchéité spécifiquement prévus pour résister à ces sollicitations, qui sont donc très coûteux. Thus, frequent deterioration of the joints such as breaks, total flattening by an annealing effect, etc. is frequently observed. To solve these problems, it is necessary to use sealing systems specifically designed to withstand these stresses, which are therefore very expensive.
Un autre problème est posé par la tenue thermos mécanique de la bride amont qui équipe le conduit de sortie du collecteur d'échappement. Another problem is posed by the thermos mechanical holding of the upstream flange which equips the outlet duct of the exhaust manifold.
En effet, cette bride est fortement sollicitée, notamment par le turbocompresseur, et en particulier en cisaillement. Indeed, this flange is highly stressed, in particular by the turbocharger, and in particular in shear.
La solution actuelle consiste à lier la bride amont avec le io conduit de sortie du collecteur au moyen d'un cordon de soudure ou bien au moyen de goussets. The current solution is to bond the upstream flange with the outlet duct of the manifold by means of a weld bead or by means of gussets.
Ces solutions ne sont pas complètement satisfaisantes, en particulier parce qu'elles ne permettent pas de protéger la bride de l'effet corrosif des gaz d'échappement qui circulent dans le is collecteur. These solutions are not completely satisfactory, in particular because they do not make it possible to protect the flange from the corrosive effect of the exhaust gases flowing in the collector.
Un autre aspect du problème, au niveau du raccordement, est constitué par les pertes thermiques subies par les gaz d'échappement lorsqu'ils circulent dans le conduit de sortie, en raison des échanges thermiques qui se produisent entre les gaz d'échappement et la paroi du collecteur. Another aspect of the problem, at the connection, is constituted by the thermal losses experienced by the exhaust gases as they circulate in the outlet duct, because of the heat exchanges that occur between the exhaust gases and the exhaust gas. wall of the collector.
Ces pertes thermiques sont pénalisantes pour l'efficacité du dispositif de dépollution qui est généralement agencé en aval, dans la ligne d'échappement. These heat losses are detrimental to the effectiveness of the depollution device which is generally arranged downstream in the exhaust line.
Pour résoudre ce problème, certaines solutions préconisent de réaliser un collecteur d'échappement à lame d'air, c'est-à-dire qu'il comporte une double paroi en tôle visant à isoler les gaz d'échappement de la paroi extérieure du collecteur. To solve this problem, some solutions recommend making an exhaust manifold air knife, that is to say it has a double wall made of sheet metal to isolate the exhaust gas from the outer wall of the manifold.
Toutefois, cette solution est particulièrement coûteuse. However, this solution is particularly expensive.
De plus, on constate que la présence d'une liaison soudée entre la bride amont et le conduit de sortie créé un pont thermique qui limite l'intérêt d'un collecteur à double tôle. In addition, it is found that the presence of a welded connection between the upstream flange and the outlet duct creates a thermal bridge which limits the interest of a double-sheet collector.
L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant une solution simple, économique et efficace. The invention aims to remedy these drawbacks by proposing a simple, economical and effective solution.
A cet effet, l'invention propose un moteur à combustion interne du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le collecteur comporte une conduite interne de liaison qui est globalement tubulaire et qui est sensiblement coaxiale au conduit de sortie, en ce que la conduite de liaison est fixée, par son extrémité axiale amont, sur la paroi interne du collecteur, axialement en amont par rapport à la bride amont, et en ce que la conduite de liaison comporte un tronçon d'extrémité axiale aval qui s'étend axialement au-delà du tronçon d'extrémité aval du w conduit de sortie et qui est pourvu d'une nervure radiale annulaire externe venant en contact linéaire avec la paroi concave d'un alésage sensiblement tronconique formé dans l'élément de conduit aval, de manière à réaliser l'étanchéité du raccordement entre le collecteur et l'élément de conduit aval. For this purpose, the invention proposes an internal combustion engine of the type described above, characterized in that the collector comprises an inner connecting pipe which is generally tubular and which is substantially coaxial with the outlet duct, in that the duct link is fixed, by its upstream axial end, to the inner wall of the collector, axially upstream with respect to the upstream flange, and in that the connecting pipe comprises a downstream axial end section which extends axially beyond beyond the downstream end section of the outlet duct and which is provided with an outer annular radial rib coming into linear contact with the concave wall of a substantially frustoconical bore formed in the downstream duct element, so as to realize sealing the connection between the collector and the downstream conduit element.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - la conduite de liaison délimite radialement avec au moins un tronçon du conduit de sortie un espace radial annulaire d'isolation; - la conduite de liaison délimite radialement avec au moins 20 un tronçon de l'élément de conduit aval un espace radial annulaire d'isolation; - la nervure est réalisée par emboutissage; - la bride amont est fixée par soudage sur l'extrémité axiale aval du conduit de sortie; - la bride aval est réalisée par moulage en une seule pièce avec le tronçon d'extrémité amont de l'élément de conduit aval; - en position serrée, les deux brides sont en appui mutuel direct, sans jeu axial; - le moyen de serrage des brides est constitué par des vis 30 axiales; - l'élément de conduit aval est constitué par l'entrée de turbine d'un turbocompresseur équipant le moteur. According to other characteristics of the invention: the connecting pipe delimits radially with at least one section of the outlet duct an annular radial space of insulation; the connection duct delimits radially with at least one section of the downstream duct element an annular radial insulation space; - The rib is made by stamping; the upstream flange is fixed by welding on the downstream axial end of the outlet duct; the downstream flange is made by molding in one piece with the upstream end section of the downstream duct element; - In tight position, the two flanges are in direct mutual support, without axial play; the clamping means of the flanges consists of axial screws; - The downstream duct element is constituted by the turbine inlet of a turbocharger fitted to the engine.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective qui représente schématiquement un moteur équipé d'un collecteur d'échappement et d'un turbocompresseur réalisé conformément aux enseignements de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective qui représente io schématiquement les brides du collecteur d'échappement et du turbocompresseur de la figure 1 en position serrées axialement; - la figure 3 est une vue selon le plan de coupe axiale 3-3 qui représente schématiquement les brides de la figure 2 et la conduite de liaison qui équipe le conduit de sortie du collecteur d'échappement. Other features and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows for the understanding of which reference will be made to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a perspective view which shows schematically an engine equipped with an exhaust manifold and a turbocharger made in accordance with the teachings of the invention; FIG. 2 is a perspective view diagrammatically showing the flanges of the exhaust manifold and the turbocharger of FIG. 1 in an axially tight position; - Figure 3 is a view along the axial sectional plane 3-3 which shows schematically the flanges of Figure 2 and the connecting line which equips the outlet duct of the exhaust manifold.
Dans la suite de la description, des éléments similaires ou identiques seront désignés par les mêmes références. In the remainder of the description, similar or identical elements will be designated by the same references.
Sur la figure 1, on a représenté un moteur à combustion interne 10 de véhicule automobile qui est réalisé conformément 20 aux enseignements de l'invention. FIG. 1 shows an internal combustion engine 10 of a motor vehicle which is produced in accordance with the teachings of the invention.
Le moteur 10 comporte un collecteur d'échappement 12 qui est raccordé à un élément de conduit aval 14, constitué ici par l'entrée de turbine d'un turbocompresseur 16. The engine 10 includes an exhaust manifold 12 which is connected to a downstream conduit element 14, here constituted by the turbine inlet of a turbocharger 16.
Le turbocompresseur 16 est raccordé en aval à un 25 dispositif de dépollution 18 qui est intercalé dans la ligne d'échappement du moteur 10. The turbocharger 16 is connected downstream to a depollution device 18 which is interposed in the exhaust line of the engine 10.
Selon le mode de réalisation représenté ici, le collecteur 12 est réalisé en tôles mécano-soudées. C'est-à-dire qu'il est constitué d'un assemblage de plusieurs pièces de tôle qui sont liées les unes aux autres par soudage. According to the embodiment shown here, the collector 12 is made of mechanically welded sheets. That is to say, it consists of an assembly of several pieces of sheet metal which are bonded to each other by welding.
Comme on peut le voir sur le figures 2 et 3, le tronçon d'extrémité axiale aval 20 du conduit de sortie 22 est pourvu d'une bride amont 24 complémentaire d'une bride aval 26 qui est fixé sur le tronçon d'extrémité axiale amont 28 de l'entrée de turbine 14 du turbocompresseur 16. As can be seen in FIGS. 2 and 3, the downstream axial end section 20 of the outlet duct 22 is provided with an upstream flange 24 complementary to a downstream flange 26 which is fixed on the axial end section. upstream 28 of the turbine inlet 14 of the turbocharger 16.
Selon le mode de réalisation représenté ici, les deux brides sont serrées axialement l'une contre l'autre par des vis axiales 5 29. According to the embodiment shown here, the two flanges are clamped axially against each other by axial screws 29.
Dans la suite de la description, on utilisera à titre non limitatif une orientation axiale suivant l'axe Al du conduit de sortie 22. In the remainder of the description, use will be made without limitation of an axial orientation along the axis Al of the outlet duct 22.
La bride amont 24 est fixée ici sur l'extrémité axiale libre io 30 du conduit de sortie 22 par soudage. The upstream flange 24 is attached here to the free axial end 30 of the outlet duct 22 by welding.
De préférence, la bride aval 26 est réalisée par moulage en une seule pièce avec l'entrée de la turbine 14 du turbocompresseur 16. Preferably, the downstream flange 26 is made by molding in one piece with the inlet of the turbine 14 of the turbocharger 16.
Conformément aux enseignements de l'invention, le collecteur 12 comporte une conduite interne de liaison 32 qui est globalement tubulaire et qui est sensiblement coaxiale au conduit de sortie 22. According to the teachings of the invention, the collector 12 comprises an internal connecting pipe 32 which is generally tubular and which is substantially coaxial with the outlet duct 22.
La conduite de liaison 32 comporte un tronçon d'extrémité axiale amont 34 qui s'étend à l'intérieur du conduit de sortie 22, et un tronçon d'extrémité axiale aval 36 qui s'étend axialement au-delà du tronçon d'extrémité axial aval 20 du conduit de sortie 22. The connecting pipe 32 has an upstream axial end section 34 which extends inside the outlet pipe 22, and a downstream axial end section 36 which extends axially beyond the end section. downstream axial 20 of the outlet duct 22.
Le tronçon d'extrémité amont 34 de la conduite de liaison 32 a globalement la forme d'une collerette radiale annulaire qui s'étend radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe Al du conduit de sortie 22. The upstream end section 34 of the connecting pipe 32 has the overall shape of an annular radial flange which extends radially outwards with respect to the axis Al of the outlet duct 22.
La conduite de liaison 32 est fixée sur la paroi interne 38 du collecteur d'échappement 12, ici par soudage, au niveau du port périphérique externe 40 de la collerette radiale 34. The connecting pipe 32 is fixed on the inner wall 38 of the exhaust manifold 12, here by welding, at the outer peripheral port 40 of the radial flange 34.
Le tronçon amont 34 de la conduite de liaison 32 a ici une forme qui s'évase axialement vers l'intérieur du collecteur 12, de sorte qu'il suit de manière sensiblement parallèle la courbure du conduit de sortie 22. The upstream section 34 of the connecting pipe 32 here has a shape that flares axially towards the inside of the collector 12, so that it follows substantially parallel to the curvature of the outlet duct 22.
Le tronçon d'extrémité aval 36 de la conduite de liaison 32 a une forme globalement tubulaire coaxiale à l'axe Al du conduit de sortie 22. The downstream end portion 36 of the connecting pipe 32 has a generally tubular shape coaxial with the axis A1 of the outlet duct 22.
Selon une caractéristique de l'invention, l'extrémité axiale aval 42 est pourvue d'une nervure radiale annulaire externe 44 qui est prévue pour venir en contact linéaire avec la paroi concave 46 d'un alésage 48 sensiblement tronconique qui est formé dans le tronçon d'extrémité 28 de l'entrée de turbine 14. According to a characteristic of the invention, the downstream axial end 42 is provided with an external annular radial rib 44 which is intended to come into linear contact with the concave wall 46 of a substantially frustoconical bore 48 which is formed in the section end 28 of the turbine inlet 14.
La nervure 44 s'étend circonférentiellement sur tout le io pourtour de l'extrémité axiale 42 de la conduite de liaison 32, de sorte qu'elle réalise l'étanchéité du raccordement avec la paroi concave 46 de l'alésage 48. The rib 44 extends circumferentially all around the axial end 42 of the connecting pipe 32, so that it seals the connection with the concave wall 46 of the bore 48.
Selon une variante de réalisation (non représentée), la conduite de liaison peut comporter plusieurs nervures 44. According to an alternative embodiment (not shown), the connecting pipe may comprise several ribs 44.
De préférence, la nervure 44 est réalisée par emboutissage. Preferably, the rib 44 is made by stamping.
Avantageusement, la conduite de liaison 32 délimite radialement avec le tronçon d'extrémité aval 20 du conduit de sortie 22 et avec le tronçon d'extrémité amont 28 de l'entrée de turbine 14 un espace radial annulaire d'isolation 50. Advantageously, the connecting pipe 32 defines radially with the downstream end portion 20 of the outlet pipe 22 and with the upstream end portion 28 of the turbine inlet 14 an annular radial insulation space 50.
L'espace radial annulaire 50 s'étend ici axialement depuis le bord circonférentiel externe 40 de la collerette 34 jusqu'à la nervure 44. The annular radial space 50 here extends axially from the outer circumferential edge 40 of the flange 34 to the rib 44.
L'épaisseur radiale de l'espace 50 est ici croissante depuis le bord externe 40 de la collerette 34 globalement jusqu'à l'extrémité axiale libre 30 du conduit de sortie 22. Cette épaisseur radiale est ensuite sensiblement constante depuis l'extrémité axiale libre 30 du conduit de sortie 22 jusqu'à la nervure 44. The radial thickness of the space 50 is here increasing from the outer edge 40 of the flange 34 generally to the free axial end 30 of the outlet duct 22. This radial thickness is then substantially constant from the free axial end 30 of the outlet duct 22 to the rib 44.
Grâce à cet espace radial 50, une lame d'air est emprisonnée entre la conduite de liaison 32 et les tronçons d'extrémité 20 et 28 du conduit de sortie 22 et de l'entrée de turbine 14. Thanks to this radial space 50, an air space is trapped between the connecting pipe 32 and the end sections 20 and 28 of the outlet duct 22 and the turbine inlet 14.
De préférence, en position serrée, les deux brides 24, 26 sont en appui mutuel direct, sans jeu axial. Preferably, in the tight position, the two flanges 24, 26 are in direct mutual support, without axial play.
Comme l'étanchéité du raccordement entre le collecteur 12 et le turbocompresseur 16 est réalisée par la conduite de liaison 32 et l'alésage 48, il n'est pas nécessaire d'intercaler un joint entre les brides 24, 26. As the connection between the collector 12 and the turbocharger 16 is sealed by the connecting pipe 32 and the bore 48, it is not necessary to insert a seal between the flanges 24, 26.
Toutefois, selon une variante de réalisation (non représentée), il est possible d'intercaler un joint d'étanchéité entre les deux brides 24, 26. Ce joint peut être d'un type plus io simple et moins coûteux que ceux utilisés habituellement pour un tel raccordement, car le joint est ici moins sollicité thermiquement. However, according to an alternative embodiment (not shown), it is possible to insert a seal between the two flanges 24, 26. This seal can be of a more simple and less expensive type than those usually used for such a connection, because the seal is here less thermally stressed.
Grâce à la conduite de liaison 32, les efforts qui sont appliqués sur les brides 24, 26, transitent sur le collecteur 12 par la paroi extérieure du tronçon d'extrémité aval 20 du conduit de sortie 22. Comme cette paroi est relativement froide par rapport à la conduite de liaison 32, elle résiste mieux aux contraintes thermo-mécaniques. Thanks to the connecting pipe 32, the forces that are applied on the flanges 24, 26, pass through the manifold 12 through the outer wall of the downstream end section 20 of the outlet pipe 22. As this wall is relatively cold compared at the connecting pipe 32, it is more resistant to thermomechanical stresses.
Les sollicitations thermiques, au niveau du raccordement entre le collecteur 12 et le turbocompresseur 16, transitent essentiellement par la paroi intérieure de la conduite de liaison 32, qui est libre de se dilater, de sorte que la conduite de liaison encaisse mieux les hautes températures. The thermal stresses, at the connection between the collector 12 and the turbocharger 16, essentially pass through the inner wall of the connecting pipe 32, which is free to expand, so that the connecting pipe better encapsulates the high temperatures.
Comme la conduite de liaison 32 n'est pas soudée sur la bride amont 24, les échanges thermiques entre les gaz d'échappement qui circulent dans le conduit de sortie 22 et l'extérieur sont limités, ce qui permet de préserver la température des gaz d'échappement, notamment pour améliorer l'efficacité du dispositif de dépollution 18. As the connecting pipe 32 is not welded to the upstream flange 24, the heat exchanges between the exhaust gases flowing in the outlet duct 22 and the outside are limited, which makes it possible to preserve the temperature of the gases exhaust system, in particular to improve the efficiency of the depollution device 18.
Un autre avantage de l'invention est que l'étanchéité du raccordement n'est plus dépendante de la planéité de surface et de tension dans les vis de fixation 29 des brides 24, 26. Another advantage of the invention is that the sealing of the connection is no longer dependent on the surface flatness and tension in the fixing screws 29 of the flanges 24, 26.
L'étanchéité dépend essentiellement de la pression du contact qui est appliqué par la nervure 44 sur la paroi concave 46 de l'alésage 48. The seal essentially depends on the pressure of the contact which is applied by the rib 44 on the concave wall 46 of the bore 48.
Il est possible d'adapter la pression de contact en fonction des exigences de l'application en modifiant la forme de la nervure 44, par exemple son profil, son épaisseur radiale, ou en modifiant la valeur de frettage, c'est-à-dire la valeur de l'appui axial de la conduite de liaison 32 dans l'alésage 48. It is possible to adapt the contact pressure according to the requirements of the application by modifying the shape of the rib 44, for example its profile, its radial thickness, or by modifying the hooping value, that is to say say the value of the axial support of the connecting pipe 32 in the bore 48.
Grâce à l'invention, les échanges thermiques entre les gaz io d'échappement et le milieu extérieur sont réduits car on évite un contact direct entre les gaz d'échappement chauds et la paroi du conduit de sortie 22. Thanks to the invention, the thermal exchanges between the exhaust gases and the external medium are reduced because direct contact between the hot exhaust gases and the wall of the outlet duct 22 is avoided.
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| FR0314248A FR2863307B1 (en) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | ENGINE EQUIPPED WITH EXHAUST MANIFOLD WHOSE OUTPUT CIRCUIT HAS A CONNECTING DRIVING |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8418459B2 (en) | 2008-07-08 | 2013-04-16 | J. Eberspaecher Gmbh & Co. Kg | Exhaust system |
| CN110892138A (en) * | 2017-07-24 | 2020-03-17 | 马自达汽车株式会社 | Exhaust device of engine |
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| DE19954317A1 (en) * | 1999-11-11 | 2001-05-17 | Hans A Haerle | Connector for joining exhaust gas manifold pipe with air gap insulation to catalytic converter comprises two flanges, converter pipe fitting into one of flanges and bore in other being stepped to accommodate manifold pipe |
| EP1270891A2 (en) * | 2001-06-21 | 2003-01-02 | Dr.Ing. h.c.F. Porsche Aktiengesellschaft | Device for fixing a turbocharger to an exhaust manifold of an internal combustion engine |
-
2003
- 2003-12-04 FR FR0314248A patent/FR2863307B1/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
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