FR2870289A1 - Collecteur d'echappement pour moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

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

Description

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

De préférence la cloison est choisie dans un matériau de nuance austénitique, par exemple sous la forme d'une plaque de tôle en acier austénitique.

Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention la cloison est rapportée dans le conduit de sortie.

Selon une première variante pour collecteur d'échappement en matériau moulé, la cloison est insérée dans le conduit de sortie à la coulée du collecteur. Avantageusement le collecteur d'échappement comporte un corps moulé en fonte aux silicium et molybdène ou en fonte au nickel ou aux nickel et chrome.

Selon une autre variante la cloison se présente sous la forme d'une plaque montée dans une ouverture en U du corps du collecteur. Avantageusement la plaque est montée sensiblement en position diamétrale dans le conduit de sortie. Tout aussi avantageusement la plaque comporte au moins une patte d'ancrage coopérant avec le bord de l'ouverture en U pour encore améliorer la tenue mécanique Les collecteurs d'échappement selon l'invention trouvent leur application notamment dans les collecteurs destinés au moteur à quatre cylindres de type 1342 et dans lesquels les quatre conduits d'entrée sont disposés sensiblement en ligne, l'une des deux jonctions en Y étant reliée aux deux conduits d'entrée latéraux et l'autre des deux jonctions en Y étant reliée aux deux conduits d'entrée centraux.

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

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre présentée uniquement à titre d'exemple non 35 limitatif en référence aux dessins cijoints dans lesquels: la figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'un collecteur d'échappement selon l'invention; - la figure 2 représente une vue schématique en coupe transversale selon la ligne AA du collecteur d'échappement de la figure 1; et - la figure 3 représente une vue schématique partielle agrandie en coupe transversale selon la ligne BB du collecteur d'échappement de la figure 1. 5 Le collecteur 10 d'échappement pour moteur à combustion interne à quatre cylindres illustré aux figures 1, 2 et 3 concerne un mode réalisation de l'invention donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en l'espèce un collecteur à architecture en 2Y de type 'twin scroll' destiné à être associé à une culasse à quatre cylindres en ligne (non représentée) au niveau d'une interface représentée par sa projection XX' et s'étendant perpendiculairement au plan de la figure 1. Le collecteur 10 tel qu'illustré est réalisé en structure moulée obtenue par coulée de fonte ou d'acier.

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

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

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

Tel qu'illustré sur les figures 1 et 2, le corps moulé 12 du collecteur quasiment 35 monobloc comporte une bride d'entrée 14 dans laquelle débouchent en ligne (selon XX') les quatre conduits d'entrée 16a, 16b, 16c et 16d. La bride d'entrée 14 qui s'étend parallèlement au plan d'interface est destinée à être solidarisée de façon étanche sur la culasse (non représentée) du moteur de façon à connecter les conduits d'entrée du collecteur avec les conduits d'échappement des cylindres correspondants. Par exemple pour un moteur de type 1342, les conduits 16a, 16b, 16c et 16d correspondent aux cylindres 1, 2, 3 et 4 respectivement.

Les conduits d'entrée s'étendent dans un plan parallèle au plan de la figure 1 pour se rejoindre deux à deux au niveau de deux jonctions 18 et 20 et former deux volutes courbes, une volute interne regroupant les conduits 16b et 16c et une volute externe regroupant les conduits 16a et 16d. Les deux jonctions 18 et 20 présentent chacune en sortie une portion de conduit intermédiaire 22 et 24 débouchant dans le conduit de sortie de collecteur 26 lequel comporte une cloison de séparation 28 rapportée. Le conduit de sortie 26 débouche sur la bride de sortie 30 du collecteur (voir figure 2) s'étendant parallèlement au plan de la figure 1 et destinée à être solidarisée de façon étanche au conduit d'entrée d'un circuit d'échappement et/ou directement au conduit d'entrée d'un turbocompresseur (non représenté) notamment à l'aide de boulons montés dans les alésages filetés 32. On notera incidemment la structure très rigide et compacte des collecteurs à architecture 'twin scroll' permettant le montage direct d'un turbocompresseur en position latérale. De façon optionnelle mais avantageuse, le conduit de sortie 26 au niveau de la bride 30 présente une section sensiblement circulaire de telle sorte que la cloison 28 se trouve montée sensiblement en position diamétrale dans ce conduit de sortie 26. Telle qu'illustré sur les figures 2 et 3, le bord libre 27 de la cloison de séparation 28 vient effleurer la surface plane de la bride de sortie 30. Toutefois sans sortir du cadre de l'invention, d'autres variantes non représentées présentent des sorties de collecteurs légèrement différentes avec par exemple des conduits de sortie se prolongeant au-delà du niveau du bord libre 27 de la plaque 28.

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

Dans la pratique la cloison ou plaque 28 est insérée dans le conduit de sortie 26 à la coulée du corps de collecteur 12, la cloison 28 étant à l'issue de l'opération de moulage retenue prisonnière dans une ouverture en U 34 prévue dans le corps du collecteur entre les jonctions 18 et 20. Comme illustré sur la figure 3, la cloison 28 présente une portion de séparation 28a et une portion d'ancrage 28b en position opposée au bord libre 27 de la plaque. La portion 28a épouse la forme en U et présente des lisérés latéraux 36 et 37 pris dans l'épaisseur des parois du corps 12 au niveau de zones d'ancrage latérales 38 et 39. La portion ou patte d'ancrage 28b, de préférence en forme de queue d'aronde est maintenue prisonnière dans une zone du corps 12 située entre les jonctions 18 et 20 en face du conduit de sortie 26 pour former un bourrelet 40 s'entendant de part et d'autre de la plaque 28.

Bien entendu sans sortir du cadre de l'invention la plaque formant la cloison de séparation peut être modifiée, par exemple pour adopter des profils divers, bombé et ou en S, pour présenter une épaisseur variable et/ou être constituée d'une ou plusieurs couches de matériaux appropriés de façon à obtenir l'effet recherché par invention.

Enfin l'invention n'est pas limitée aux collecteurs d'échappement moulé mais est également applicable à la technique de fabrication de collecteur par mécano- soudage, la cloison de séparation étant alors soudée au corps du collecteur.

Claims (10)

REVENDICATIONS

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

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

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

4. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cloison (28) est rapportée dans ledit conduit de sortie.

5. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 4 en matériau moulé, caractérisé en ce que la cloison (28) est insérée dans ledit conduit de sortie (26) à la coulée du collecteur.

6. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un corps moulé (12) en fonte aux silicium et molybdène ou en fonte au nickel ou aux nickel et chrome.

7. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 4 à 6 caractérisé 35 en ce que la cloison (28) se présente sous la forme d'une plaque (28a) montée dans une ouverture en U (34) du corps (12) du collecteur.

8. Collecteur d'échappement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque (28a) est montée sensiblement en position diamétrale dans le conduit de sortie (26).

9. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la plaque comporte au moins une patte d'ancrage (28b) coopérant avec le bord de l'ouverture en U (34).

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