FR3036133B1 - Collecteur d’echappement - Google Patents

Abstract

L'invention propose un collecteur d'échappement pour moteur thermique à combustion interne apte à résister aux fortes contraintes thermiques et mécaniques existant localement lorsque le moteur est en marche. Selon une forme de réalisation, le pont thermique est constitué d'une barrette métallique (4) fixée en ses extrémités par deux vis (5, 6) logées dans deux cônes de réception (5s, 6s) d'un conduit (10) du collecteur (1). Le conduit (10) est relié en son extrémité (EM) à la culasse du moteur via une bride amont (3). Plus précisément, la barrette (4) est positionnée le long du conduit (10), de part et d'autre et au plus près d'une zone de singularité (20) formée à la jointure du conduit (10) avec un panneau (2) de rigidification du collecteur d'échappement (1).

Description

COLLECTEUR D’ECHAPPEMENT

[0001] La présente invention concerne un collecteur d’échappement,notamment à diffusion thermique pour moteur à combustion interne, notammentde véhicule automobile mais également d’autres véhicules (par exemple deux outrois roues) ou dans d’autres domaines (scooters nautiques, motoneiges, enginsindustriels, etc.).

[0002] Classiquement, un tel collecteur d’échappement est destiné à êtreinséré à la sortie de la culasse d’un moteur thermique à combustion interne d’unvéhicule automobile. Le collecteur d’échappement forme ainsi un premieréquipement de la ligne d’échappement des gaz du véhicule. Cette ligned’échappement des gaz comprend ensuite, en aval du collecteur dans le sensd’évacuation des gaz, un ou plusieurs appareils d’exploitation et/ou de traitementde ces gaz, par exemple un turbocompresseur et un catalyseur.

[0003] Lorsque le moteur est en marche, le collecteur d’échappement estsoumis à de fortes contraintes thermiques et mécaniques car, en plus des flux desgaz d’échappement à haute température, il est agencé entre des équipementsdont les températures sont fortement différenciées. En effet, au niveau de la facede la bride amont du collecteur en contact avec la culasse du moteur, le collecteurprésente une température externe - dite température de peau - de l’ordre de250°C du fait que le moteur et la culasse sont constamment refroidis enfonctionnement. Par contraste, au niveau de la face de la bride aval du collecteuren contact avec la partie d’échappement, la température de peau du collecteuratteint des valeurs très supérieures, de l’ordre de 800°C.

[0004] Cette disparité de température entre les deux faces extrêmes ducollecteur d’échappement risque d’induire des fissures dans le collecteur, le risqueétant sensiblement augmenté du fait de la structure et de la taille réduite descollecteurs, par exemple selon une longueur de l’ordre de 15 cm. En effet, lescollecteurs sont constitués d’autant de tubulures d’échappement des gaz que decylindres du moteur d’où proviennent ces gaz, et ces tubulures sont assemblées entre elles pour former une sortie d’échappement unique et pour rigidifierl’ensemble par des moyens de liaison, panneaux, plaques ou bras, formant desraccordements entre les tubulures. Ces assemblages présentent alors des zonesde forte courbure, appelées singularités géométriques, en particulier des arches,des coudes ou des équerres. Dans ces conditions, sous l’effet des gradients detempérature importants, des concentrations de contraintes apparaissentlocalement au niveau des singularités géométriques, induisant un risque élevé deformation de fissures dans ces zones.

[0005] Pour diminuer ce risque, une approche connue est illustrée dans ledocument de brevet FR2816003. Cette approche consiste à utiliser des tubuluresà double paroi pour isoler thermiquement les gaz traversant le collecteur, ce quipermet d’homogénéiser la température des gaz. Cependant, cette solution imposede modifier totalement la structure des collecteurs conventionnels, ce qui impliquel’installation de nouveaux équipements de fabrication et rend la fabrication pluscomplexe.

[0006] Une autre solution, présentée dans le document de brevetFR2849470, propose de rajouter au collecteur une pièce en forme de « L >> entrela bride amont et la bride aval. Cette pièce permet alors, par conduction, demaintenir relativement basse la température de la bride aval, par rapport à latempérature des gaz d’échappement. Mais cette solution ne permet pas non plusd’utiliser un collecteur de construction classique.

[0007] Une autre voie est proposée par le document de brevetEP2146069. Dans ce document, un écran récepteur de chaleur en aluminiumrecouvre à distance le collecteur d’échappement et diffuse la chaleur reçue parrayonnement en fonction de la position de cet écran face au collecteur. Cet écranrécepteur de chaleur est relativement peu isolant face aux parties chaudes ducollecteur, mais relativement bon isolant face aux parties froides du collecteur.Cependant cet écran récepteur de chaleur en aluminium ne parvient pas àhomogénéiser les températures du collecteur dans les parties localisées peuaccessibles par rayonnement, comme par exemple la zone froide de la bride encontact avec la culasse. De plus, la mise en œuvre de pièce en aluminium est coûteuse dans le cadre de la fabrication de pièces destinées à l’équipementautomobile.

[0008]Afin de prévenir de façon efficace et à moindre coût les risques defissures d’un collecteur d’échappement conventionnel sans reconsidérer sastructure de base, l’invention propose de répartir la chaleur concentrée autour dessingularités de ce collecteur par un support de transfert thermique adapté.

[0009] Plus précisément, la présente invention a pour objet un collecteurd’échappement destiné à un moteur à combustion interne, le collecteurcomportant des conduits présentant d’un côté des extrémités respectivement enliaison avec des cylindres du moteur et d’un autre côté une extrémité uniqued’échappement des gaz. Les conduits forment des courbures et/ou sontassemblés par des moyens de liaison présentant au moins une singularitégéométrique. Dans ce collecteur d’échappement, au moins un pont thermique estsolidarisé respectivement à au moins un conduit à proximité immédiate d’une (dela) singularité géométrique.

[0010] On entend par « singularité géométrique » les zones de courburedes conduits ou les jonctions formées par les liaisons entre les conduits, parexemple des arches de raccordement.

[0011] Un tel pont thermique permet alors de répartir de manière plushomogène la chaleur dégagée entre les brides et de limiter ainsi les effortsthermomécaniques que subissait le collecteur du fait des forts gradients detempérature, en particulier dans les zones fragiles formées par les singularités.

[0012] Selon des modes de réalisation préférés, le collecteurd’échappement possède les caractéristiques suivantes : - le collecteur comportant au moins un raccordement de rigidification entredeux conduits, le ou chaque pont thermique s’étend de part et d’autre du (d’un)raccordement de rigidification formant ladite singularité géométrique; - le ou chaque pont thermique est solidarisé au conduit correspondant àl’aide d’au moins deux fixations localisées en extrémité du pont thermique; - le ou chaque pont thermique est constitué d’une barrette rigide en alliagemétallique ; - alternativement, le ou chaque pont thermique comporte un lien souple àbase d’alliage métallique, en particulier au moins une tresse ou une bandemétallique ; - le métal de l’alliage est de préférence du cuivre ou à base de cuivre; - la fixation du pont thermique sur le conduit peut être réalisée au choixentre rivetage, vissage, collage, bridage et soudage ; - une pâte de conduction thermique est avantageusement insérée entre lepont thermique et le conduit, pour former des plages de contact continues avecladite pâte et optimiser ainsi la conduction thermique entre le pont thermique et leconduit; [0013] L’invention se rapporte également à une ligne d’échappement d’unmoteur à combustion interne et comportant le collecteur d’échappement défini ci-dessus, ainsi qu’un véhicule automobile équipé d’une telle ligne d’échappement.

[0014] D’autres données, caractéristiques et avantages de la présenteinvention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, donnéeuniquement à titre de mise en oeuvre non limitative, en référence aux figuresannexées qui représentent respectivement : - la figure 1, une vue en perspective d’un conduit de collecteurd’échappement selon l’invention équipé d’un exemple de pont thermique constituéd’une barrette de métal fixée par des vis au conduit; - la figure 2, une vue en coupe selon le plan transversal P de la figure 1montrant en particulier la fixation de la barrette de métal sur le conduit; - la figure 3, un schéma en vue supérieure globale d’un autre exemple decollecteur d’échappement équipé d’une barrette fixée le long d’un des conduitscourbes du collecteur, au regard d’une portion d’arche de raccordement entredeux conduits; - la figure 4, une modélisation de la conduction des flux thermiques dansla paroi d’un conduit du collecteur sans pont thermique par un schéma électriqueénergiquement équivalent; - la figure 5, une modélisation de la conduction des flux thermiques dansla paroi d’un conduit du collecteur équipé d’un exemple de pont thermique selonl’invention par un schéma électrique énergiquement équivalent, et - la figure 6, une représentation graphique de l’effet de la présence d’unpont thermique dans un collecteur d’échappement sur le gradient de températureformé à proximité d’une singularité géométrique.

[0015] Sur les différentes figures, des éléments ou parties d’élémentsidentiques portent une même référence. La description d’un même élémentreprésenté dans différentes figures est renvoyée au passage qui le traite en détail.

[0016] En référence à la figure 1, il est représenté une vue en perspectived’un conduit 10 de collecteur d’échappement 1 (illustré partiellement) présentantune portion sensiblement linéaire et munie d’une barrette métallique 4 fixée, enses extrémités, par deux vis 5 et 6 sur ce conduit 10. Le vissage est réalisé dansdes cônes de réception taraudés 5s et 6s, intégrés au conduit 10.

[0017] Une bride amont 3 couplée à l’extrémité amont EM du conduit 10est destinée à être fixée à la culasse d’un moteur à combustion interne (nonreprésentée). Un panneau 2 de renforcement du collecteur d’échappement 1 reliele conduit 10 à un autre conduit (non représenté) du collecteur 1. Une singularitégéométrique 20 apparaît alors à l’extrémité du rebord 21 du panneau 2 venant enjonction sur le conduit 10.

[0018] La barrette métallique 4 se trouve agencée le long du conduit 10 àhauteur de la singularité géométrique 20, plus précisément de part et d’autre decelle-ci, de sorte à l’enjamber tout en restant à proximité immédiate de cettesingularité 20, c’est-à-dire au plus près compte tenu des contraintes d’espacementliées à la technologie de fixation utilisée. En fonctionnement moteur, le gradient detempérature qui s’installe au niveau de la singularité géométrique 20 est alorsréduit par le transfert thermique réalisé par la barrette 4 qui sert de pontthermique.

[0019] La barrette 4 est avantageusement constituée d’un alliage decuivre, excellent conducteur thermique. Alternativement, une telle barrette peutaussi être constituée par tout autre alliage à base d’un métal, parexemple l’aluminium ou le zinc, meilleur conducteur de la chaleur que la fonte quiest le matériau dont est en général constitué le collecteur d’échappement.

[0020] Dans d’autres modes de réalisation, le pont thermique est réalisé àpartir d’une tresse métallique et des rivets sont utilisés à la place des vis pour fixerla barrette 4 sur le conduit 10.

[0021] Vus en coupe selon le plan transversal P passant par les axes desvis 5 et 6, le conduit 10 et la barrette métallique 4 apparaissent également sur lafigure 2. Cette figure 2 permet de détailler la fixation de cette barrette 4 sur lesfaces planes 5f et 6f des deux bossages de réception, 5s et 6s, dans lesquels sontvissées respectivement les deux vis 5 et 6, ajustées sur la barrette métallique 4 àl’aide de brides 5c et 6c placées entre la barrette 4 et les vis 5 et 6.Avantageusement, une pâte de conduction thermique 7 est placée entre les faces5f et 6f et la barrette 4 afin de former des plages de contact pour augmenter laconduction thermique entre cette barrette 4 et la fonte constitutive du conduit 10.

[0022] La figure 3 montre plus globalement le schéma en vue supérieured’un autre collecteur d’échappement 100 comportant des conduits courbes 11 à14 et pourvu d’une barrette 4’ du type décrit précédemment. Dans cet exemple,les axes Xi à X4 respectivement des conduits 11 à 14 sont dans un même plan (leplan de la figure), les conduits 11 et 14 entourant de part et d’autre les conduits 12et 13.

[0023] La barrette 4’ est fixée de part et d’autre d’une singularitégéométrique formée par une portion d’arche de forte courbure 8a, d’une manièresemblable à celle décrite en référence aux figures 1 et 2, l’arche 8a venant ici d’unpanneau de rigidification 8 agencé entre les conduits 11 et 12. De manièreéquivalente, les conduits 13 et 14 sont réunis par un panneau de rigidification 8’prolongé par une arche 8’a. De plus, Les deux conduits centraux 12 et 13 sontégalement reliés par un panneau de rigidification central 9.

[0024] Par ailleurs, du côté aval AV de la ligne d’échappement, lesconduits 11 à 14 se réunissent en leurs extrémités aval Ev pour former un seulconduit 15 couplé à la bride aval unique 32. Du côté amont AM vers la culassemoteur (non représentée), la bride amont 30 se compose de trois embouts 3a, 3bet 3c, respectivement couplées aux extrémités amont Em des conduits 11, 12 et 13(montés en commun sur l’embout 3b), et 14.

[0025] Entre un embout de bride amont 3a, 3b ou 3c et la bride aval 32, latempérature de peau croît dans cet exemple entre 250°C et 800°C lorsque lemoteur à combustion interne, sur lequel le collecteur d’échappement 100 estmonté, arrive en régime stabilisé pleine charge de fonctionnement. La barrettemétallique 4’, agencée à proximité immédiate de la singularité géométrique 21,créée à la jonction du conduit 11 et de l’arche 8a, permet de déplacer lescontraintes thermomécaniques vers des zones du conduit 11 éloignées de la zonecritique de singularité 21 et pouvant mieux résister à ces contraintes, le gradientde température local au niveau de la singularité 21 étant alors réduit. Ainsi, lerisque de création d’une fissure prenant naissance à hauteur de cette singularité21 est également sensiblement réduit.

[0026] Le transfert des températures ainsi apporté par un pont thermiquedu type des barrettes 4 ou 4’ peut se mesurer par des capteurs appropriés. Il estégalement mesurable par une modélisation réalisée par transposition énergétiqueà partir d’un schéma électrique équivalent et d’un ensemble de donnéesphysiques se rapportant au pont thermique. Les figures 4 à 6 présentent ainsi unexemple de modélisation des températures apportées par le pont thermiqueconstitué par la barrette 4’ (cf. figure 3), à partir de l’évolution calculée destempératures de cinq points particuliers E, A, B, C, S placés le long d’une ligne L1(en pointillés sur la figure 3) d’un conduit de collecteur pourvu d’un pont thermiqueselon l’invention, la barrette 4’ et le conduit 11 dans cet exemple.

[0027] De manière plus précise, la ligne pointillée L1 traverselongitudinalement la barrette 4’ aux points A, B et C, localisés respectivement àl’entrée, au centre et à la sortie de la barrette 4’. Les points E et S sont situés auxextrémités de la ligne L1, le point d’entrée E sur l’embout 3a de la bride amont etle point de sortie S au niveau où les conduits 11 à 14 se réunissent en un seulconduit 15 du côté de la la bride aval 32. Ainsi les points E, A, B, C, S sont placéssuccessivement dans le sens de la température croissante du collecteur 100.

[0028] La figure 4 présente tout d’abord, par un schéma électriqueéquivalent, une modélisation de la conduction des flux thermiques dans la paroid’un conduit du collecteur classique, dépourvu de pont thermique. La flèche 40indique le sens d’augmentation en température. Chaque augmentation partielle en température est représentée par une résistance électrique : R1 entre les points Eet A, R2 entre les points A et B, R3 entre les points B et C, et R4 entre les pointsCet S.

[0029] La figure 5 présente alors la modélisation de la figure 4 lorsque leconduit du collecteur est combiné à un pont thermique placé de part et d’autred’une singularité, comme décrit précédemment. Le pont thermique est représentépar la résistance R5 et ses deux fixations par les deux résistances R6 et R’6.

[0030] Une simulation des gradients de température est alors réalisée àpartir des données physiques, par exemple: longueur, épaisseur, matériau du pontthermique, distances entre les points de fixation du pont thermique et distanceentre le pont thermique et la singularité. Le résultat de la simulation est présentéen référence à la figure 6 par une représentation graphique de l’effet d’un pontthermique sur le gradient de température local, c’est-à-dire à proximité immédiated’une singularité.

[0031] Sur cette figure 6, les ordonnées indiquent les températures « t >>de peau du collecteur d’échappement 100, et l’abscisse « p >> indique les positionssur le conduit 10 entre les points E et S (cf. figure 3). La courbe sensiblementlinéaire en pointillés 60 montre l’évolution de la température de peau du conduit 10du collecteur d’échappement 100 en l’absence de pont thermique, et la courbe entrait plein 61 montre l’évolution de la température entre ces points E et S enprésence de la barrette 4’ placée entre les points A et C, comme illustrée sur lafigure 3.

[0032] Il apparaît que les températures des deux points de fixation A et Cde la barrette 4’ sur le conduit 10 sont rapprochées - avec un écart detempérature At2 de l’ordre de 17°C - en présence du pont thermique; alors quel’écart Ati de température entre ces point A et C est sensiblement plus important -de l’ordre de 40°C - en absence de pont thermique. Cette diminution d’écart detempérature - en d’autres termes la limitation du gradient de température prèsd’une singularité - traduit le report des contraintes thermomécaniques versd’autres zones dépourvues de singularité géométrique, ce qui diminuesensiblement le risque de fissure.

[0033] Le résultat obtenu par cette simulation est conforté parcomparaison avec des mesures réelles. Les caractéristiques physiques des pontsthermiques sont alors ajustables pour obtenir des gradients de températuresouhaités.

[0034] L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation décrits etreprésentés. Ainsi, d’autres types de position des ponts thermiques sur lecollecteur d’échappement sont possibles en fonction des singularitésgéométriques existantes, par exemple entre une bride et un conduit, aux jonctionsentre conduits au niveau la bride aval, ou en toute localisation présentant desangles ou des courbures ou des raccordements entre deux composants différentsqui sont propices à la création de fissure. Ainsi, lorsque le collecteur présentediverses singularités géométriques, autant de ponts thermiques associés à cessingularités sont avantageusement prévus.

[0035] Par ailleurs, les ponts thermiques peuvent également êtreconstitués d’une ou plusieurs tresses ou bandes métalliques, ils peuvent êtrerigides ou souples. De plus, d’autres manières de fixer un pont thermique sontégalement possibles, par soudage, collage, bridage ou toute technologieéquivalente.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS
2. 1. Collecteur d’échappement (1; 100) destiné à un moteur àcombustion interne, le collecteur (1; 100) comportant des conduits (10 ; 11 à 14)présentant d’un côté des extrémités respectivement en liaison (30) avec descylindres du moteur et d’un autre côté une extrémité unique (15) d’échappementdes gaz, les conduits (10 ; 11 à 14) formant des courbures et/ou étant assembléspar des moyens de liaison (2; 8, 8’, 9) présentant au moins une zone desingularité géométrique (21), au moins un pont thermique (4; 4’) est solidarisérespectivement à au moins un conduit (10 ; 11 à 14) à proximité immédiate d’une(de la) singularité géométrique, caractérisé en ce que le collecteur (100) comporteau moins un raccordement de rigidification (2 ; 8, 8’, 9) entre deux conduits (10 ;11 à 14), le ou chaque pont thermique (4 ; 4’) s’étend de part et d’autre du (d’un)raccordement de rigidification (2 ; 8, 8’, 9) correspondant formant ladite zone desingularité géométrique (21). 2. Collecteur d’échappement (1; 100) selon la revendication 1, danslequel le ou chaque pont thermique (4 ; 4’) est solidarisé au conduit (10 ; 11 à 14)correspondant à l’aide d’au moins deux fixations (5, 6) localisées en extrémité dupont thermique (4 ; 4’).
3. 3. Collecteur d’échappement (1; 100) selon l’une quelconque desrevendications précédentes, dans lequel le ou chaque pont thermique estconstitué d’une barrette rigide (4; 4’) en alliage métallique.
4. 4. Collecteur d’échappement (1 ; 100) selon l’une des revendications 1ou 2, dans lequel le ou chaque pont thermique comporte un lien souple à based’alliage métallique, en particulier au moins une tresse ou une bande métallique.
5. 5. Collecteur d’échappement (100) selon l’une quelconque desrevendications précédentes, dans lequel le métal de l’alliage est du cuivre ou àbase de cuivre.
6. 6. Collecteur d’échappement (100) selon l’une quelconque desrevendications précédentes, dans lequel la fixation du pont thermique (4 ; 4’) sur leconduit (10; 11 à 14) est réalisée au choix entre rivetage, vissage, collage,bridage et soudage.
7. 7. Collecteur d’échappement (1; 100) selon l’une quelconque desrevendications précédentes, dans lequel une pâte de conduction thermique estinsérée entre le pont thermique (4 ; 4’) et le conduit (10 ; 11 à 14).
8. 8. Ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne,caractérisé en ce qu’elle comporte un collecteur d’échappement (1; 100) selonl’une quelconque des revendications précédentes.
9. 9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comporte une ligned’échappement selon la revendication précédente.