Brevet FR2575788A1 — publié le 19860711

Collecteur d' échappement L'invention concerne un collecteur d'échappement des tné à des moteurs de véhicules automobiles à plusieurs cylindres et formé d'une tôle d'acier résistant à la chaleur et constitué par un tuyau collecteur comportant plusieurs tubulures de raccordement aboutissant aux ouvertures d'é- chappement de la culasse, le collecteur étant coalisé de manière à Btre flexible axialement, par zones,grâce à la présence d'ondulations de dilatation. Un tel tuyau d'échappement est décrit dans la demande de brevet allemand publiée sous le n 33 34 413. Il se caractérise par un faible poids et des coûts réduits de fabrication et permet, grâce à sa réalisation flexible, de compenser les dilatations thermiques différentes du collecteur d'échappement d'une part et de la culasse d'autre part. Par ailleurs,des recherches effectuées par la demanderesse ont révélé que de tels collecteurs d'échappement constitués par une tôle d'acier ont tendance à présenter des phénomènes de déformation lorsqu'ils sont soumis à une température élevée. Ceci est lié aux causes indiquées ciaprès. Alors que la culasse reste à un niveau de température relativement bas en raison du système de refroidissement par eau qui y est incorporé et ne subit par conséquent également qu'une dilatation comparativement faible, le collecteur d'échappement est porté par les gaz d'échappement chauds à une température allant jusqu'à environ 1000"C. Ceci est valable notamment dans le cas de collecteurs en to- le d'acier qui sont isolés sur leur face extérieure. Le collecteur tend de ce fait à se dilater beaucoup plus que la culasse. Cependant cette dilatation ne peut s'effectuer,en raison de la liaison relativement rigide entre le collecteur d'échappement et la culasse, que dans la mesure où la culasse le permet.Les forces de dilatation qui subsistent dans le collecteur, entraînent, pour les températures élevées, pour lesquelles la limite d'élasticité de la to- le du collecteur diminue fortement, une déformation permanente, prenant la forme d'un refoulement. Lorsque le collecteur se refroidit et que la résistance du matériau constituant le collecteur augmente à nouveau, ce refoulement aboutit à ce que le collecteur tend à se rétracter plus fortement que la culasse. Dans le col- lecteur froid, il s'établit par conséquent des contraintes de traction qui, lors du démontage, conduisent à ce que le collecteur se rétracte sur lui-même. Les perçages ménagés dans les brides des tubulures de raccordement ne sont plus alignés avec les boulons filetés situés dans la culasse et ceci complique fortement le démontage, mais surtout le remontage du collecteur. Ce phénomène apparaît notamment dans le cas de moteurs scellés comportant des -tuyaux d'échappement isolés, étant donné qu'il apparaît alors des températures et des différences de dilatation thermique encore plus élevées. La présente invention a pour but d'éliminer ces inconvénients. En particulier,la déformation résiduelle, qui apparaît après le refroidissement du collecteur d'échappement, doit être par conséquent éliminée. Ce problème est résolu à l'aide d'un collecteur du type décrit plus haut, grâce au fait que les tubulures de raccordement sont reliées entre elles, dans la zone de leurs extrémités libres, par au moins un appui qui les fi xent suivant la direction transversale de leurs extrémités. Le fait que l'appui conforme à l'invention se raccorde à la zone d'extrémité des tubulures de raccordement, entraîne d'une part le maintien efficace en position dans la zone déterminante des brides. D'autre part l'appuiestsitueeà proximité directe de la- culasse refroidie. C'est pourquoi il reste à un niveau de température nettement plus faible que le collecteur d'échappement lui-même, si bien qu'il ne participe pas au retrait, décrit précédemment, en raison de la diminution de la résistance du matériau et qu'il peut également ramener les tubulures de raccordement dans leur position initiale, après refroidissement du collecteur. A cet effet,il suffit que la rigidité axiale de l'appui soit supérieure à la contrainte de contraction qui apparaît lors du refroidissement du collecteur. Etant donné que le collecteur est réalisé de manière à être flexible axialement, au moins par zones, grâce à la présence d'ondulations de dilatation, ce rapport de force peut être réalisé d'une manière simple du point de vue de la technique de fabrication et du point de vue de la construction. De façon appropriée, l'appui est relié aux brides des tubulures de raccordement. Car les brides sont alors, par suite de leur liaison avec la culasse, à une température comparativement faible. Afin de maintenir à une faible valeur le rayonnement thermique, notamment du tuyau collecteur en direction de l'appui, on peut disposer en supplément un isolant entre l'appui et le tuyau collecteur. En ce qui concerne la réalisation de 11 appui, il existe diverses possibilités. I1 peut être constitue par plusieurs barrettes intermédiaires montées entre les extrémités des tubulures, auquel cas ces barrettes intermédiaires sont soudées respectivement aux brides des tubulures de raccordement. Mais il peut être également réalisé d'un seul tenant, en s'étendantentrsvèrsdetoutes les tubulures de raccordement, auquel cas il est recommandé, pour des questions de symétrie, de prévoir des appuis respectifs sur les deux bords opposés de la bride de raccordement. Les appuis peuvent être montés ultérieurement dans le collecteur sous la forme de pièces supplémentaires. Mais pour des questions .techniques de fabrication il est recommandé que l'appui soit fabriqué d'un seul tenant avec les brides de raccordement, de sorte que l'on obtient un genre de plaque à brides, comme cela est décrit dans la demande de brevet n" 84.10 785. La section transver- sale de cette plaque à brides peut être réduite, dans la zone située entre les brides proprement dites, à la section transversale d'appui qui est nécessaire pour le blocage de la contrainte de retrait. De façon appropriée l'appui est constitué par une barre. métallique possédant une section transversale rectangulaire. I1 est particulièrement recommandé d'utiliser un profilé creux, qui, pour une mçme masse, est plus stable qu'un matériau massif. D'autre part il est approprié de prolonger l'appui jusqu'à la bride de liaison du tuyau collecteur et de l'y relier. On obtient de ce fait un soutien stable de la bride chargée par le tuyau d'échappement qui s'y trouve raccordé. L'appui est coudé conformément à la forme du tuyau collecteur, mais se trouve disposé de toutes façons à distance du tuyau collecteur afin de ne pas être soumis à la charge thermique élevée de ce dernier. Une variante avantageuse de l'invention consiste à munir 11 appui d'une légère courbure en direction de la culasse de telle sorte que lors du serrage du boulon de fixation pour les tubulures de raccordement sur la culasse, il est serré localement contre cette dernière et par conséquent établit avec cette culasse une liaison d'échange thermique. Le décalage des brides, qui apparaît lors de cette déformation est si faible qu'il est absorbé par les perçages des brides. Afin que les forces de blocage devant être develolspees par l'appui ne deviennent pas trop élevées, le tuyau collecteur et/ou les tubulures de raccordement possède des ondulations de dilatation ménagées par façonnage directement dans la telle du collecteur. D'autre part il est recommandé que le tuyau collecteur soit réalisé sous la forme d'un tube en tôle d'acier d'un seul tenant, comportant des embouts saillants locaux et que ces derniers soient soudés aux tubulures de raccordement. On fait de ce fait l'économie de longs cordons de soudure nécessaires dans le cas- de la construction en coquilles suivant la direction longitudinale et on facilite la réalisation des ondulations de dilatation directement dans la paroi du tube. Si l'on s'efforce d'obtenir une température aussi élevée que possible du gaz d'échappement, par exemple par postcombustion de ces derniers, on peut entourer le collecteur par un isolant. On recouvre cet isolant par une enveloppe en tôle, constituée notamment de deux demi-coques. Cette enveloppe est constituée en un matériau résistant à la chaleur, par exemple du silicate d'aluminium. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un collecteur d'échappement muni d'un appui - la figure 2 représente une vue en élévation latérale d'un autre collecteur d'échappement muni d'un appui - la figure 3 représente une vue prise à 90" de celle de la figure 2 ; et - la figure 4 représente une vue en perspective d'un collecteur d'échappement comportant deux appuis. Le collecteur d'échappement représenté sur les figures est constitué par un tuyau collecteur 1 d'ob partent plusieurs tubulures de raccordement 2, 3, 4 et 5 destinées à se raccorder aux ouvertures d'échappement de la culasse non représentée. La dernière tubulure de raccordement 5 peut être également formée directement par l'extrémité ar rière coudée du tuyau collecteur 1. La liaison du tuyau collecteur 1 aux tubulures de raccordement 2 à 5 s'effectue de telle sorte que plusieurs embouts tubulaires la, lb, lc et ld, disposés côte-a-côte, sont mén-agés par façonnage dans le tuyau collecteur, qui est au départ cylindrique. Les extrémités de ces embouts saillants possèdent une section transversale approximativement circulaire de sorte qu'ils sont alignés avec les tubulures de raccordement 2 à 5 associées et peuvent être réunis par un simple soudage par aboutement avec les tubulures de raccordement. Comme matériau pour le collecteur d'échappement, il convient d'utiliser de l'acier austénitique possédant une épaisseur comprise entre 0,5 et 1,5 mm, et notamment entre 0,6 et 1 mm. De ce fait on peut donner relativement aisément la forme désirée aux différents composants tubulaires et l'on obtient une stabilité suffisante. Pour l'absorption des dilatations thermiques élevées, le tuyau collecteur 1 est réalisé de manière à être souple par zones, grâce à la présence d'ondulations de dilatation 6, 7, 8 et 9 ménagées par façonnage directement dans la paroi du tube. Ces ondulations de dilatation sont situées respectivement entre les embouchures des tubulures de raccordement, l'ondulation de dilatation 6 étant située entre la première tubulure de raccordement 2 et la bride de liaison 10, à laquelle est raccordé par bride le prolongement du tuyau du gaz d'échappement. En outre il est prévu des ondulations respectives identiques de dilatation dans les tubulures de raccorde ment, afin que l'étanchéité entre ces tubulures et la culasse ne soient pas affectées par les phénomènes de déformations décrits précédemment. Les extrémités des tubulures de raccordement sont munies chacune de rebords tournés vers l'extérieur et portent une bride libre pour leur montage sur la culasse. Dans le cas de la forme de réalisation de, la figure 1, les différentes brides 11, 12, 13 et 14 des tubulures de raccordement sont réunies à une plaque commune continue à brides 15. Cette plaque 15 est prolongée en outre sur son extrémité d'une manière correspondant à la forme du tuyau collecteur 1, et est rabattue en direction de la bride de liaison 10, qui en est solidaire d'un seul tenant. De ce fait non seulement des phénomènes de déformation se présentant au niveau des tubulures de raccordement aboutissant à la culasse sont éliminés de façon fiable, mais simultanément la bride de liaison 10 du tuyau collecteur, qui est la plupart du temps fortement chargé par le tuyau d'échappement, qui s'y trouve raccordé, est en même temps soutenue. Dans le cas de la forme de réalisation des figures 2 et 3, la section transversale de la plaque d'appui est amincie, dans la zone intermédiaire comprise entre les différentes brides 10 à 14, à une valeur qui est nécessaire pour supporter les forces de soutien, c'est-a-dire pour bloquer les contraintes de déformation entre les brides de raccordement 11 à 14 ou pour soutenir la bride de liaison 10. Au moins les barrettes intermédiaires 15b, 15c et 15d forment, avec les brides de raccordement 11 à 14, une pièce continue d'un seul tenant, de sorte qu'aucun soudage de jonction n'est nécessaire. La barrette intermédiaire 15a reliée à la bride de liaison 10 peut etre également reliée d'un seul tenant aux deux brides qui lui sont associées. Cependant on peut également la souder ultérieurement à la bride de liaison 10. De ce fait l'appui 15 peut être emman ché de façon simple sur les tubulures de raccordement, avant le façonnage du rebord sur ces dernières. Comme matériau pour les barrettes intermédiaires 15a à 15d, il est approprié d'utiliser de l'acier en barre possédant une section transversale rectangulaire. I1 convient également d'utiliser des profilés creux étant donné que, pour une même masse, ils présentent une rigidité plus grande. Les barrettes intermédiaires 15b à 15d s'étendent dans le plan formé par les brides 11 à 14. Cependant, comme représenté sur la figure 3, elles sont cintrées vers le bas en forme d'arc de cercle à l'intérieur de ce plan et sont décalées vers le bas, par rapport à leurs points de raccordement sur les différentes brides, de telle sorte que leur prolongement passe approximativementp1eoentre de la bride. Ceci garantit d'une part un soutien particulière- ment efficace des brides et également une résistance vis à-vis d'une torsion. D'autre part le décalage vertical des barrettes intermédiaires présente comme avantage le fait qu'elles sont à une distance plus grande du tuyau collecteur chaud, mais restent en outre au voisinage direct de la culasse refroidie. La contrainte thermique des barrettes intermédiaires est par conséquent réduite et les barrettes intermédiaires requièrent des sections transversales réduites. Dans le cadre de l'invention, il est naturel de réaliser les barrettes intermédiaires sous la forme de pièces séparées et de les souder alors aux brides des tubulures de raccordement. Mais pour des questions techniques de fabrication il est recommandé de réaliser d'un seul tenant les brides munies des barrettes intermédiaires. Une autre différence par rapport à la forme de réalisation de la figure 1 consiste en ce que le tuyau collecteur possède non seulement une, mais plusieurs ondulations de dilatation entre les embouchures des différentes tubulures de raccordement. Le nombre des ondulations de dilatation est adapté à la distance entre les tubulures de rac cordement. Cela signifie que, par suite de la distance plus importante existant entre les tubulures de raccordement 2 et 3, un plus grand nombre d'ondulations de dilatation est agencé dans le tuyau collecteur, tandis qu'entre les tubulures de raccordement 3 et 4 et les tubulures de raccordement 4 et 5, il suffit de disposer un nombre moins important d'ondulations de dilatation, étant donné qu'en cet endroit la longueur du tube est plus courte et que par conséquent également les dilatations thermiques absolues sont plus faibles. La figure 4 représente une forme de réalisation, dans laquelle les différentes brides 11 à 14 des tubulures de raccordement sont reliées entre elles et sont fixées en position au moyen de deux barres métalliques séparées 16 et 17. I1 s'agit alors de barres rectilignes continues qui s'étendent, dans un plan, parallèlement au tuyau collecteur, tout comme les tubulures décrites précédemment, mais qui, dans le cas présent, sont appliquées tangentiellement, au niveau de deux emplacements périphériques opposés, contre les brides individuelles et y sont soudées.Par suite de la disposition symétrique des deux barres 16 et 17 en des emplacements périphériques opposés de la bride, d'une part un retour axial sûr de la bride dans sa position initiale est garanti lors du refroidissement du collecteur et également une torsion apparaissant éventuellement de la bride est évitée de façon fiable. Toutes les variantes de réalisation onten commun le fait qu'au moins le tuyau collecteur 1, et de façon appropriée également les tubulures de raccordement 2 à 5, sont entourés, jusqu'à un niveau situé directement en amont de leur bride, par un isolant résistant à la chaleur et qui est recouvert par une enveloppe tubulaire extérieure 18 (figures 2 et 3). L'enveloppe tubulaire 18 peut s'étendre jusqu'à la bride de liaison 10. Ceci garantit que les températures-des gaz d'échappement, qui sont de l'ordre de 1000"C, ne provoquent aucun rayonnement thermique indésirable en direction de l'appui 15. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'échappement destiné à des moteurs de véhicules automobiles à plusieurs cylindres et formé d'une tôle d'acier résistant à la chaleur et constitué par un tuyau collecteur comportant plusieurs tubulures de raccordement aboutissant aux ouvertures d'échappement de la culasse, le collecteur étant réalisé de manière à être flexible axialement, par zones,grâce à la présenced'ondulations de dilatation, caractérisé par le fait que les tubulures de raccordement (2, 3, 4, 5) sont reliées entre elles, dans la zone de leurs extrémités libres, par au moins un appui (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 16, 17) qui les fixe suivant la direction transversale de leurs extrémités. 2. Collecteur d'échappement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'appui (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 16, 17) est relié aux brides (11, 12, 13, 14) des tubulures de raccordement (2, 3, 4, 5). 3. Collecteur d'échappement suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un isolant est disposé entre l'appui (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 16, 17) et le tuyau collecteur (1). 4. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'appui est constitué par plusieurs barrettes intermédiaires (15a, 15b, 15c, 15d) insérées entre les extrémités des tubulures. 5. Collecteur d'échappement suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les barrettes intermEdiai- res (15b, 15c, 15d) sont soudées aux brides (11, 12, 13, 14) des tubulures de raccordement (2, 3, 4, 5). 6. Collecteur d'échappement suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé par le fait que les barrettes intermédiaires (15b, 15c, 15d) s'étendent selon une forme coudée dans le plan des brides. 7. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'appui est réalisé sous la forme d'une barre métallique continue (16, 17) s'étendant en travers des tubulures de raccordement (2, 3, 4, 5). 8. Collecteur d'échappement suivant la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il est prévu deux appuis continus fixés sur des bords opposés des brides de raccordement (11, 12, 13, 14). 9. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'appui (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 16, 17) est réalisé sous la forme d'une barre métallique. 10. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que l'appui (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 16, 17) est réalisé sous la forme d'un profilé creux. 11. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que l'appui (15, 15a, 15b, 15c, 15d) est fabriqué d'un seul tenant avec les brides de raccordement (11, 12, 13, 14). 12. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, cractérisé par le fait que l'appui (15, 15a, 15b, 15c, 15d) se prolonge jusqu'à la bride de liaison (10) du tuyau collecteur (1). 13. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que les brides (11, 12, 13, 14) sont réalisées sous la forme d'anneaux montés de façon lâche sur les extrémités, munies d'un rebord, des tubulures. 14. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que l'appui (15, 15a, 15b, 15c, 15d) possède une légère courbure en direction de la culasse et s'applique par conséquent localement sur cette dernière. 15. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par. le fait que le tuyau collecteur (1) et/ou les tubulures de raccordement (2, 3, 4, 5) comportent des ondulations de dilatation (6, 7, 8, 9) réalisées par façonnage directement dans la tôle du collecteur. 16. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le tuyau collecteur (1) est réalisé sous la forme d'un tube en tôle d'acier d'un seul tenant comportant des embouts saillants (la, lb, lc, ld) qui sont soudés aux tubulures de raccordement (2, 3, 4, 5). 17. Collecteur d'échappement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait qu'il est entouré par un isolant qui, pour sa part, est recouvert par une enveloppe (18). 18. Collecteur d'échappement suivant la revendication 17, caractérisé par le fait que l'enveloppe (18) est constituée par deux demi-coques, 19. Collecteur d'échappement suivant l'une des revendications 16, 17 ou 18, caractérisé par le fait que l'isolant est constitué par du silicate d'aluminium.