FR2899933A1 - Collecteur d'echappement composite - Google Patents

Abstract

Ce collecteur d'échappement comporte :- une enveloppe extérieure comprenant :- au moins une bride liée à la coque externe et présentant au moins un orifice de circulation des gaz, l'enveloppe extérieure présentant au moins un orifice de circulation des gaz,- au moins un conduit interne (31) disposé dans l'enveloppe extérieure et débouchant par un orifice de circulation des gaz,caractérisé en ce que :- le ou chaque conduit interne (31) est formé au moins pour l'essentiel de sa longueur en un matériau céramique et est engagé au travers du ou de chaque orifice ; et- il comporte un diaphragme annulaire (34) imperméable aux gaz et déformable radialement et axialement de manière élastique disposé autour du ou de chaque conduit interne (31) entre le ou chaque conduit interne (31) et l'enveloppe extérieure (18), le diaphragme (34) étant lié à sa périphérie à au moins l'un de l'enveloppe extérieure (18) et du ou de chaque conduit interne (20, 31).

Description

La présente invention concerne un collecteur d'échappement pour une ligne

d'échappement d'un moteur à combustion interne, du type comportant : - une enveloppe extérieure comprenant : - au moins une bride liée à la coque externe et présentant au moins un orifice de circulation des gaz, l'enveloppe extérieure présentant au moins un orifice de circulation des gaz, - au moins un conduit interne disposé dans l'enveloppe extérieure et débouchant par un orifice de circulation des gaz.

De nos jours, les véhicules à moteurs thermiques sont équipés de lignes d'échappement incluant des organes de dépollution tels que des organes de purification catalytique et/ou des filtres à particules. Pour permettre un fonctionnement satisfaisant de ces organes de dépollution, il faut que les gaz d'échappement leur parviennent avec une température élevée. Il convient donc d'éviter une déperdition de chaleur trop importante dans la ligne d'échappement et notamment dans le collecteur séparant la sortie du moteur thermique du premier organe de dépollution. Diverses solutions ont été envisagées à cet effet. En particulier, les collecteurs comportant des conduits internes maintenus dans une coque externe séparée des conduits internes par un espace d'air ou un matériau isolant s'avèrent efficaces pour éviter une trop grande déperdition de chaleur. Ces collecteurs comportent une bride de fixation sur la culasse du moteur sur laquelle viennent s'appuyer les conduits internes, d'une part, et la coque externe d'autre part. Une bride de sortie est fixée également sur la coque externe permettant d'assembler le reste de la ligne d'échappement et notamment le turbocompresseur. L'étanchéité pour ce type de réalisation est assurée par la soudure étanche de la coque externe sur les brides de culasse et de sortie.

L'invention a pour but de réaliser en plus une étanchéité satisfaisante entre les conduits internes et les brides, notamment la bride de sortie. Cette étanchéité est nécessaire lors de l'utilisation d'un matériau entre les conduits internes et la coque externe, notamment dans le cas de maté-riaux d'isolation ou d'éléments de maintien à base de fibres céramiques, pour éviter que tout ou partie de ce matériau ne soit aspiré soit par le moteur, soit par la ligne d'échappement et notamment le turbocompresseur. La liaison et l'étanchéité entre les conduits internes et les brides sont délicates à assurer du fait des dilatations différentielles notamment axiales constatées entre les conduits internes et la coque externe. Il est en effet impossible de lier rigidement aux brides de culasse et de sortie la coque ex-terne et les conduits internes. L'invention a pour but de proposer un collecteur d'échappement ayant une liaison et une étanchéité satisfaisantes entre les conduits internes et la bride de sortie. L'étanchéité au niveau de la bride de culasse est dans ce cas supposée satisfaisante et la liaison avec la bride est considérée rigide. L'invention propose donc de réaliser une étanchéité satisfaisante du côté de la bride de sortie sans pour autant imposer une liaison rigide des conduits internes avec cette même bride. Cette invention porte particulièrement sur de collecteurs d'échappement dont les conduits internes sont rassemblés de façon étanche notamment dans un conduit de sortie unique. Cependant il est possible de conser- ver ces conduits séparés jusqu'à la bride en ajoutant un élément d'étanchéité entre les différents conduits par collage par exemple ou à l'aide d'un joint d'étanchéité. A cet effet, l'invention a pour objet un collecteur du type précité, caractérisé en ce que : - le ou chaque conduit interne est formé au moins pour l'essentiel de sa longueur en un matériau céramique et est engagé au travers du ou de chaque orifice ; et - il comporte un diaphragme annulaire imperméable aux gaz et déformable radialement et axialement de manière élastique disposé autour du ou de chaque conduit interne entre le ou chaque conduit interne et l'enveloppe extérieure, le diaphragme étant lié à sa périphérie à au moins l'un de l'enveloppe extérieure et du ou de chaque conduit interne.

Suivant des modes particuliers de réalisation, le collecteur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'enveloppe extérieure comporte une coque externe et une bride liée à la coque externe et délimitant le ou chaque orifice de circulation des gaz ; - le diaphragme est lié à sa périphérie à l'autre de la bride et du ou de chaque conduit interne ; - le diaphragme est appliqué élastiquement à sa périphérie contre l'autre de la bride et du ou de chaque conduit interne ; - le diaphragme comporte, d'une part, une couronne présentant une plage annulaire de liaison sur l'autre de la bride et du ou de chaque conduit interne et un profil annulaire d'appui sur l'autre de la bride et du ou de chaque conduit interne et, d'autre part, un organe élastique à action radiale appliqué sur ledit profil annulaire pour assurer son maintien sous contrainte radiale contre l'autre de la bride et du ou de chaque conduit interne ; - l'organe élastique comporte un anneau élastique ceinturant ledit pro-fil annulaire et appliquant celui-ci par une action centripète contre le conduit interne ; - l'organe élastique ceinturant ledit profil annulaire exerce une action centripète sur le profil annulaire contre le conduit interne dont l'intensité est inférieure à celle de la pression de décharge de l'espace entre le conduit interne et la coque externe ; ledit profil définit un canal annulaire ouvert vers l'extérieur et renfermant ledit organe élastique ; - ledit canal présente deux bords convergents délimitant une ouver- ture de largeur inférieure à la largeur maximale du canal ; - le diaphragme présente une forme de soufflet ; - le diaphragme est généralement tronconique ; - le diaphragme comporte un ou plusieurs évent(s) de décharge ; - le diaphragme est lié par soudage ; -l'espace délimité entre la coque externe et le ou chaque conduit interne renferme au moins partiellement un matériau de remplissage ; et - le diaphragme est lié à la périphérie à l'enveloppe extérieure.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue en élévation avec arrachement partiel d'un collecteur d'échappement selon l'invention associé à la bride de sortie ; - la Figure 2 est une vue en coupe du détail de la liaison du collecteur d'échappement et de la bride de sortie ; et - la Figure 3 est une vue identique à celle de la figure 2 d'une variante de réalisation du collecteur et de la bride de sortie.

Sur la Figure 1 est représenté un moteur thermique 10 accouplé à un collecteur d'échappement 12. Le moteur thermique comporte par exemple quatre cylindres à chacun desquels est associé un conduit de soupape 14 formant une sortie d'échappement ménagée au travers d'une culasse 15 du moteur.

Les quatre sorties 14 débouchent suivant un même plan 16 de la culasse sur lequel est solidarisé l'entrée du collecteur d'échappement 12. Le collecteur 12 comporte essentiellement une enveloppe extérieure étanche 18 dans laquelle sont reçus quatre tubes 20 formant des conduits internes d'évacuation des gaz d'échappement. Chaque tube est associé à une sortie d'échappement d'un cylindre du moteur thermique 10. Un matériau de maintien et/ou un isolant thermique, formé notamment par une nappe de fibres céramiques emplit au moins partiellement l'espace 21 délimité entre l'enveloppe 18 et les tubes 20. L'enveloppe 18 comporte une coque externe 22 enveloppant l'en- semble des tubes 20, une bride 24 de liaison du collecteur sur la culasse 15 du moteur, et une bride 25 de sortie assurant la liaison du collecteur au reste de la ligne d'échappement et notamment à un turbocompresseur. La coque externe 22 est formée par exemple de deux demi coques métalliques assemblées l'une à l'autre par une soudure périphérique mé- diane. Cette coque définit un profil convergent de la bride 24 vers une extrémité munie de la bride de sortie 25. La bride 24 est formée d'une plaque massive présentant quatre orifices d'entrée 24A disposés en regard des sorties d'évacuation 14 du moteur.

Elle comporte en outre des perçages pour le passage de vis de fixation du collecteur sur la culasse. Chaque tube 20 traverse la bride 24 suivant sensiblement toute son épaisseur au travers d'un orifice 24A.

La bride de sortie 25 présente une face principale extérieure formant une surface d'appui 25A notamment sur le turbocompresseur et une surface opposée interne 25B entre lesquels est formé un orifice traversant 27. La coque externe 22 est fixée par une soudure externe 28 sur la surface interne 25B.

Les tubes internes 20 sont formés dans un matériau céramique par exemple ceux décrits dans les demandes de brevet US-6,134,881, US-6,161,379,, US-6,725,656 et WO-2004/106705. Ces matériaux consistent en une matrice composite à base de polymère inorganique renforcée par des fibres, préférentiellement céramiques. Ces matériaux sont particulière- ment adaptés en raison de leur faible inertie thermique, de leur faible dilatation thermique par rapport à métal, notamment un acier inoxydable, de leurs propriétés mécaniques leur permettant de résister au flux de gaz chauds présents dans l'échappement et aux sollicitations vibratoires propres aux véhicules automobiles et enfin en raison de leur tenue en température vis-à- vis des gaz chauds sortant d'un moteur à combustion interne. L'épaisseur des tubes 20 dans leur partie courante est comprise entre 0,4 et 1,2 mm. Ils convergent les uns vers les autres depuis les orifices d'entrée 24A du collecteur correspondant chacun à un cylindre pour former un faisceau de tubes débouchant au niveau de la bride de sortie 25 du collec- teur au travers d'un tronçon sensiblement tubulaire 30 formant la sortie de l'enveloppe. Les tubes 20 sont de préférence indépendants les uns des autres suivant toute leur longueur. Ainsi, ils sont disposés de manière contiguë dans le tronçon de sortie 30. Ils débouchent tous dans un même plan trans- versai au tronçon 30 au niveau de leur extrémité aval. A cette extrémité, chaque tube a une section en forme de quartier de disque.

Cependant les tubes peuvent au préalable se rejoindre dans une culotte formant ainsi un faisceau monobloc conduisant à un seul orifice de sortie. Les quatre tubes 20 débouchent dans un même tronçon convergent en céramique formant un conduit de sortie 31. Les quatre tubes et le conduit de sortie 31 sont, sans que cela soit indispensable, maintenus en position radiale dans le tronçon 30 par un joint 32 formé d'un anneau en treillis métallique. Le conduit 31 s'étend au travers de l'orifice 27 et il débouche dans l'épaisseur de la bride 25. Avantageusement, et comme illustré sur la figure 2, un diaphragme 34 imperméable aux gaz et déformable radialement et axialement de manière élastique est interposé entre le conduit de sortie 31 et la bride de sortie 25. Ainsi, le diaphragme 34 entoure le conduit 31 et est relié au moins à l'un de la bride 25 et du conduit de sortie 31. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, le diaphragme 34 est relié par exemple par collage sur la surface externe du conduit de sortie 31. A cet effet, il présente un collet d'extrémité 36. De même, le diaphragme est par exemple soudé sur la surface plane interne 25B de la bride en dehors de l'orifice 27 associé. A cet effet, il comporte une collerette 38 appliquée contre la surface interne de la bride. L'extrémité du diaphragme 34 liée au conduit de sortie 31 est disposée à l'écart de la bride 25 et de l'orifice 27. Le diaphragme 34 présente avantageusement une paroi générale-ment tronconique convergente de la bride 25 vers le conduit de sortie 31. De préférence, cette paroi tronconique présente une forme de soufflet déformable élastiquement présentant une succession de surfaces tronconiques décalées angulairement reliées les unes aux autres en accordéon. Par exemple, le soufflet est formé d'un flan de tôle emboutie d'épaisseur réduite de l'ordre de 0,1 à 0,2mm.

Tout en restant globalement étanche, le diaphragme présente avantageusement un évent calibré de décharge permettant d'éviter les surpressions dans l'inter-paroi 21. Cet évent est dimensionné pour permettre à l'air de circuler en empêchant toutefois d'éventuelles fibres d'être aspirées en dehors de l'inter paroi et notamment vers le moteur ou le turbocompresseur. Le diaphragme 34 assure l'étanchéité d'une part entre la ligne d'échappement et notamment le turbocompresseur et la bride 25 et d'autre part entre la bride 25 et le conduit de sortie 31. Ainsi, les gaz d'échappement ne circulent pas dans l'espace inter-paroi 21 délimité entre les conduits 20 et l'enveloppe externe 22. Les tubes 20 étant réalisés en matériau céramique, ceux-ci subissent de très faibles dilatations, ce qui permet un ajustement très précis entre les tubes, et la bride de sortie. Par ailleurs, la céramique constituant les tubes 20 étant un bon isolant thermique, la chaleur des gaz d'échappement est très peu transférée vers la bride massive 25, garantissant que l'essentiel de la chaleur soit acheminé au travers du collecteur, permettant ainsi un fonctionnement satis- faisant des organes de dépollution placés en aval du collecteur, tels qu'un organe de purification catalytique, ou un filtre à particules. Sur la figure 3 est illustrée une variante de réalisation de l'accouple-ment entre la bride 25 et un conduit de sortie 31. Dans ce mode de réalisation, le diaphragme désigné par la référence 44 est lié à la bride 25 suivant sa surface interne 25B et est seulement appliqué élastiquement au contact de la surface externe du conduit de sortie 31. A cet effet, le diaphragme 44 comporte une couronne métallique 46 présentant une plage annulaire de liaison 48 appliquée sur la surface interne de la bride 25 et un profil annulaire 50 d'appui contre la surface externe du conduit de sortie 31. De ma- nière générale, la couronne 46 présente en section une forme de crosse ou de point d'interrogation. Le profil annulaire 50 délimite un canal 52 s'ouvrant extérieurement à l'opposé du conduit de sortie 31 associé. Ce canal 52 présente des rives 54 convergeant l'une vers l'autre, de sorte que la largeur de l'ouverture du canal est inférieure à la largeur maximale du canal 52. Un organe élastique annulaire 56 formé d'un anneau élastique est logé et maintenu à l'intérieur du canal 52. Cet organe élastique 56 est propre à appliquer le fond du canal 52 contre la surface externe du conduit de sortie 31 en exerçant sur le profil annulaire d'appui un effort centripète. L'anneau élastique 56 est formé par exemple d'un treillis métallique et présente, au repos, un diamètre inférieur au diamètre extérieur du conduit de sortie 31. La bride présente au voisinage de sa surface interne un lamage 58 élargissant localement l'orifice 27. Le profil annulaire d'appui 50 et l'anneau élastique 56 sont partiellement reçus dans ce lamage en étant appliqués contre la surface externe du conduit de sortie 31.

Pour maintenir le diaphragme 44 en position, la plage annulaire 48 est soudée à sa périphérie extérieure contre la surface interne 25B de la bride par un cordon de soudure 60. Comme dans le mode de réalisation précédent, l'agencement décrit ici assure, compte tenu du maintien du profil d'appui 50 pressé contre la sur- face externe du conduit de sortie 31, une étanchéité entre l'intérieur et l'extérieure de l'enveloppe du collecteur. Toutefois, en cas de surpression dans le collecteur, le diaphragme 44 se déforme élastiquement de manière centrifuge permettant l'échappement du gaz ayant conduit à la surpression entre le conduit de sortie 31 et le diaphragme.

A cet effet, l'anneau élastique 56 est tel qu'il exerce une action centripète contre le conduit interne dont l'intensité est inférieure à celle de la pression de décharge de l'espace entre le conduit interne et la coque externe. Dans un mode de réalisation différent, le diaphragme 34 est fixé sur la coque externe 22 plutôt que sur la bride 25, notamment dans le cas d'un mode de réalisation sans bride. Dans un autre mode de réalisation, l'assemblage de l'enveloppe ex-terne 22 n'est pas nécessairement étanche. Les demi-coques sont par exemple être assemblées au moyen d'une soudure périphérique médiane discontinue assurant uniquement une tenue mécanique. II en est de même pour l'assemblage des brides culasse 24 et sortie 25 sur l'enveloppe externe 22. Ces différentes solutions de montage produisent des solutions particulièrement avantageuses en ce qui concerne l'étanchéité du collecteur.

En particulier, le matériau de maintien ou d'isolation disposé dans l'espace inter-paroi se trouve protégé.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1.- Collecteur d'échappement (12) comportant : - une enveloppe extérieure (18) comprenant : - au moins une bride (24) liée à la coque externe (22) et présentant au moins un orifice (24A) de circulation des gaz, l'enveloppe extérieure (18) présentant au moins un orifice (27) de circulation des gaz, - au moins un conduit interne (20, 31) disposé dans l'enveloppe extérieure (18) et débouchant par un orifice (27) de circulation des gaz, caractérisé en ce que : - le ou chaque conduit interne (20, 31) est formé au moins pour l'essentiel de sa longueur en un matériau céramique et est engagé au travers du ou de chaque orifice (27) ; et - il comporte un diaphragme annulaire (34 ; 44) imperméable aux gaz et déformable radialement et axialement de manière élastique disposé au- tour du ou de chaque conduit interne (20, 31) entre le ou chaque conduit interne (20, 31) et l'enveloppe extérieure (18), le diaphragme (34 ; 44) étant lié à sa périphérie à au moins l'un de l'enveloppe extérieure (18) et du ou de chaque conduit interne (20, 31).

2.- Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure (18) comporte une coque externe (22) et une bride (25) liée à la coque externe (22) et délimitant le ou chaque orifice (27) de circulation des gaz.

3.- Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diaphragme (34 ; 44) est lié à sa périphérie à l'autre de la bride (25) et du ou de chaque conduit interne (20, 31).

4.- Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diaphragme (34 ; 44) est appliqué élastiquement à sa périphérie contre l'autre de la bride (25) et du ou de chaque conduit interne (20, 31).

5.- Collecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dia-phragme (44) comporte, d'une part, une couronne (46) présentant une plage annulaire de liaison (48) sur l'autre de la bride (25) et du ou de chaque conduit interne (20, 31) et un profil annulaire (50) d'appui sur l'autre de la bride (25) et du ou de chaque conduit interne (20, 31) et, d'autre part, unorgane élastique (56) à action radiale appliqué sur ledit profil annulaire (50) pour assurer son maintien sous contrainte radiale contre l'autre de la bride (25) et du ou de chaque conduit interne (20, 31).

6.- Collecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe élastique comporte un anneau élastique (56) ceinturant ledit profil annulaire (50) et appliquant celui-ci par une action centripète contre le conduit interne (20, 31).

7.- Collecteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'organe élastique (56) ceinturant ledit profil annulaire (50) exerce une action centripète sur le profil annulaire (50) contre le conduit interne (20, 31) dont l'intensité est inférieure à celle de la pression de décharge de l'espace entre le conduit interne et la coque externe.

8.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ledit profil (50) définit un canal annulaire (52) ouvert vers l'extérieur et renfermant ledit organe élastique (56).

9.- Collecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit canal (50) présente deux bords convergents (54) délimitant une ouverture de largeur inférieure à la largeur maximale du canal (52).

10.- Collecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le diaphragme (34) présente une forme de soufflet.

11.- Collecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le diaphragme (34) est généralement tronconique.

12.- Collecteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le diaphragme (34) comporte un ou plusieurs évent(s) de décharge.

13.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diaphragme est lié par soudage.

14.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace délimité entre la coque externe (22) et le ou chaque conduit interne (20, 31) renferme au moins partiellement un ma-tériau de remplissage.

15.- Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme (34 ; 44) est lié à sa périphérie à l'enveloppe extérieure (18).