Brevet FR2849470A1 — publié le 20040702

l "Collecteur d'échappement de véhicule automobile à structure porteuse indépendante" L'invention concerne un collecteur d'échappement de véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un collecteur d'échappement de véhicule automobile qui comporte: - une bride amont de fixation du collecteur d'échappement sur une culasse d'un moteur à combustion interne; et - une bride aval de fixation du collecteur d'échappement 10 sur un accessoire, notamment un turbocompresseur; et - au moins un conduit qui relie au moins un orifice de sortie de gaz d'échappement de la culasse à un orifice d'entrée des gaz d'échappement dans l'accessoire. Il est fréquent que les moteurs à combustion interne soient 15 suralimentés par un turbocompresseur de façon à améliorer leurs performances. Le turbocompresseur permet notamment d'augmenter leur rendement et leur puissance. Selon une structure générale connue de l'état de la technique, le turbocompresseur comporte une turbine et un 20 compresseur qui sont portés par un arbre de turbocompresseur. La turbine est logée dans un carter de turbine sensiblement de révolution cylindrique qui comporte généralement un orifice tangentiel d'alimentation de la turbine. Le turbocompresseur est entraîné en rotation par les gaz 25 d'échappement qui résultent de la combustion du carburant dans les chambres de combustion du moteur et qui sont conduits jusqu'à l'orifice d'alimentation du carter de turbine. Les gaz d'échappement sont expulsés des chambres de combustion par l'intermédiaire de canaux d'échappement traversant la culasse du 30 moteur, puis ils sont recueillis par un collecteur d'échappement qui les guide depuis la culasse jusqu'au turbocompresseur. Le collecteur d'échappement est principalement constitué d'au moins un conduit qui est destiné à canaliser l'écoulement des gaz d'échappement jusqu'au turbocompresseur, et de deux brides de fixation du conduit. Le conduit comporte au moins un orifice d'entrée qui est raccordé aux canaux d'échappement de la culasse, et il comporte un orifice de sortie qui est raccordé au turbocompresseur. La première bride de fixation, dite bride amont en référence au sens d'écoulement des gaz, permet de fixer, et de raccorder de manière étanche, l'orifice d'entrée du conduit sur une paroi externe de la culasse du moteur. La seconde bride de fixation, dite bride aval, permet de fixer, et de raccorder de 10 manière étanche, l'orifice de sortie du conduit au turbocompresseur. Le collecteur a aussi pour fonction de supporter, au moins partiellement, le poids du turbocompresseur. Ainsi, le poids et les efforts exercés par le turbocompresseur sont transmis à la 15 culasse successivement par l'intermédiaire de la bride aval, du conduit, puis de la bride amont. Le collecteur d'échappement est aussi conçu de façon à résister aux vibrations produites par le turbocompresseur. Il est connu que le collecteur d'échappement, c'est-à-dire 20 le ou les conduits et les deux brides amont et aval de fixation, soit réalisé en une seule pièce, par exemple en une pièce de fonderie en fonte ou en acier. Cependant, les gaz d'échappement qui circulent dans le collecteur ont une température élevée, et les caractéristiques 25 mécaniques du collecteur d'échappement sont modifiées à ces températures. Par exemple la résistance mécanique du collecteur d'échappement aux sollicitations mécaniques du turbocompresseur est sensiblement diminuée. De plus, ces effets néfastes de la température sont favorisés par les formes très 30 massives des brides amont et aval de fixation obtenues en fonderie. En outre, les moteurs devenant de plus en plus compacts, la place disponible pour l'implantation du turbocompresseur, et plus généralement des systèmes d'échappement, est de plus en plus restreinte. Le rapprochement physique entre le turbocompresseur et la culasse impose un collecteur d'échappement plus court. La bride aval qui permet de fixer le turbocompresseur sur le collecteur d'échappement devient alors 5 difficilement réalisable en fonderie à cause des contraintes techniques liées à la forme compacte et complexe du collecteur d'échappement. Enfin, lorsque le véhicule est équipé d'un dispositif de dépollution des gaz d'échappement du type catalyseur, il est 10 généralement nécessaire que les gaz d'échappement provoquent la montée rapide en température de ce dispositif au-delà d'une température d'amorçage pour que le dispositif devienne efficace. Or, les collecteurs réalisés en fonte ou en acier ont une inertie thermique très élevée, c'est-à-dire que la température du 15 conduit augmente lentement. Tant que le collecteur n'est pas chaud, les gaz d'échappement sont refroidis lorsqu'ils circulent dans le collecteur. Ainsi, le catalyseur ne peut atteindre sa température d'amorçage qu'après que le collecteur ait été chauffé. Un tel collecteur est donc préjudiciable pour les 20 performances du catalyseur. Il est aussi connu d'utiliser des turbocollecteurs. Il s'agit d'un turbocompresseur comportant un collecteur d'échappement qui est réalisé venu de matière avec le carter de turbine. Les gaz d'échappement sont alors collectés directement à l'entrée 25 d'alimentation du turbocompresseur par plusieurs conduits d'entrée intégrés au turbocollecteur. Il n'y a ainsi qu'une seule bride amont de fixation entre le turbocollecteur et la culasse. Le problème de l'encombrement des pièces réalisées en fonderie est partiellement résolu. Cependant, la réalisation d'un tel dispositif est très onéreuse. De plus, le dispositif obtenu n'est pas facilement adaptable à différents types de moteurs. Ainsi, il est nécessaire de concevoir et de produire un type de turbocollecteur adapté à chaque type de moteur, alors qu'un même turbocompresseur peut traditionnellement être adapté sur différents types de moteur en changeant simplement le collecteur d'échappement. De plus, la partie du turbocollecteur formant collecteur 5 d'échappement est réalisée venu de matière avec le carter du turbocompresseur qui est généralement en fonte. Un tel turbocollecteur ne résout donc pas le problème lié à l'inertie thermique du collecteur d'échappement. Il est aussi connu que le collecteur d'échappement soit 10 principalement constitué d'un conduit et de deux brides amont et aval séparées. Les brides amont et aval sont fixées par soudage sur le conduit qui est par exemple réalisé en tôle, notamment de façon à être compact. Un conduit en tôle a une inertie thermique très faible, 15 c'est-à-dire que la température du conduit augmente très rapidement. Ainsi, les gaz d'échappement dissipent très peu de chaleur lorsqu'ils circulent dans un tel collecteur d'échappement car il ne reste pas froid longtemps. Ceci permet aux gaz d'échappement d'amorcer, rapidement après le démarrage du 20 moteur, un catalyseur situé en aval du turbocompresseur. Cependant, un turbocompresseur a une masse importante qui nécessite des moyens de maintien rigides et résistants pour résister aux sollicitations vibratoires. Or, le conduit en tôle n'a pas une rigidité, ni une résistance, suffisantes pour supporter les 25 contraintes mécaniques du turbocompresseur. Un tel collecteur d'échappement n'est donc pas susceptible de supporter longtemps un turbocompresseur sans dommage. Afin de résoudre ces problèmes, l'invention propose un collecteur d'échappement du type décrit précédemment, 30 caractérisé en ce que la bride aval est reliée à la bride amont par au moins un élément structurel formant raidisseur, indépendant du conduit, de manière que le collecteur constitue une structure porteuse du composant. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - une des brides comporte une patte qui est fixée sur l'autre bride; - chaque bride est globalement en forme de plaque, et en ce que la bride amont est située dans un plan globalement perpendiculaire au plan de la bride aval; - la patte s'étend dans le même plan que la bride qui la comporte; - le collecteur d'échappement comporte une équerre qui relie mécaniquement la bride aval à la bride amont; - l'équerre a une section en L dont les ailes s'étendent respectivement dans un plan globalement perpendiculaire à la bride amont et à la bride aval, de façon à former un logement de section globalement rectangulaire délimité par l'équerre et les deux brides, et qui entoure le conduit; - les deux brides et l'élément structurel formant raidisseur sont réalisés venu de matière en une seule pièce; - l'équerre comporte une surface formant écran qui s'étend en regard du conduit et qui arrête le rayonnement thermique issu du conduit; - le conduit est réalisé en tôle mince. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement en perspective un moteur à combustion interne qui est suralimenté par un turbocompresseur et qui est équipé d'un collecteur d'échappement réalisé selon les enseignements de l'invention; - la figure 2 représente en perspective un collecteur 30 d'échappement réalisé selon l'état de la technique; - la figure 3 représente en perspective et à plus grande échelle le collecteur d'échappement selon l'invention de la figure 1; - la figure 4 est une vue de côté selon la flèche F4 de la figure 3, avec arrachement partiel; - la figure 5 est une vue en perspective éclatée des composants du collecteur d'échappement selon l'invention de la figure 3. Dans la description qui suit, des éléments identiques, analogues ou similaires seront désignés par les mêmes références. Dans la suite de la description, on utilisera à titre non 10 limitatif une orientation longitudinale, verticale et transversale selon le trièdre L, V, T de la figure 1. On a représenté à la figure 1 un moteur à combustion interne 10 de véhicule automobile suralimenté par un turbocompresseur 12 qui est alimenté par les gaz d'échappement 15 du moteur 10 qui y pénètrent par un orifice d'entrée des gaz d'échappement. Le moteur 10 comporte notamment une culasse 14 d'orientation globalement transversale selon la figure 1. La culasse 14 comporte quatre canaux (non représentés) 20 d'évacuation des gaz d'échappement qui sont destinés à évacuer les gaz d'échappement, depuis les chambres de combustion du moteur 10 chacun jusqu'à un orifice de sortie des gaz d'échappement qui débouche dans une paroi externe avant 16 de la culasse 14 qui est ici d'orientation globalement transversale et 25 verticale. Le moteur 10 comporte un collecteur d'échappement 18 qui est ici réalisé selon les enseignements de l'invention. Le collecteur 18 est agencé entre la culasse 14 du moteur 10 et le turbocompresseur 12. Le collecteur 18 est notamment destiné à - canaliser les gaz d'échappement depuis la culasse 14 du moteur 10 jusqu'au turbocompresseur 12; - et supporter au moins en partie le poids du turbocompresseur 12 de façon à le maintenir en position. Afin de faciliter la compréhension de l'invention, nous allons tout d'abord décrire un collecteur d'échappement 18 réalisé selon l'état de la technique et représenté à la figure 2. Le collecteur 18 est principalement constitué d'un conduit 5 coudé 22 de forme complexe aussi appelé " plenum ", qui est ici réalisé en tôle mince et qui comporte un large orifice oblong amont 24 par lequel entrent les gaz d'échappement, et un orifice supérieur circulaire aval 26 centré par lequel sortent les gaz d'échappement. Un tel conduit 22 est représenté à la figure 5 10 dans le cadre de l'invention. L'orifice amont 24 des gaz d'échappement est suffisamment large pour recueillir les gaz d'échappement provenant des quatre canaux d'échappement de la culasse 14 dans le cas d'une culasse à quatre cylindres. Comme représenté à la figure 2, une bride amont de fixation 28 en forme de plaque épaisse d'orientation globalement verticale transversale est adaptée autour de l'orifice amont 24 du conduit 22. La bride amont 28 comporte sur son pourtour des trous 30 d'axe longitudinal qui sont destinés à positionner le 20 collecteur d'échappement 18 sur la paroi externe avant 16 de la culasse 14, et à le fixer par exemple au moyen de vis. Comme on peut le voir à la figure 5, la bride 28 comporte quatre trous 29 de passage des gaz d'échappement qui sont en concordance avec les quatre canaux d'échappement de la culasse 25 14 lorsque la bride 28 est fixé sur la culasse 14. Une bride aval de fixation 32 en forme de plaque épaisse d'orientation horizontale et longitudinale est adaptée autour de l'orifice aval 26. Le pourtour de la bride aval 32 comporte ici deux trous 34 d'axe vertical qui sont destinés à permettre le 30 positionnement et la fixation du turbocompresseur 12 sur le collecteur d'échappement 18. Les deux brides 28 et 32 s'étendent ainsi dans des plans globalement orthogonaux. Selon ce mode de réalisation de l'état de la technique, lorsque le collecteur 18 est fixé sur la culasse 14 et que le turbocompresseur 12 est monté sur la bride 32 du collecteur d'échappement 18, le conduit 22 du collecteur d'échappement 18 5 supporte le poids du turbocompresseur 12. Le coude du conduit 22 doit en particulier résister à une forte concentration de contraintes mécaniques et thermiques. Afin de résoudre les problèmes inhérents à une telle conception, l'invention propose un collecteur d'échappement 18 10 perfectionné tel que celui représenté aux figures 3 à 5. Ce collecteur 18 comporte des éléments principaux analogues à ceux décrits précédemment. Ainsi, ce collecteur 18 comporte un conduit 22 des gaz d'échappement, et des brides amont 28 et aval 32 de fixation. Ces éléments sont illustrés en 15 détails à la figure 5. Pour rigidifier la structure du turbocompresseur 18, la bride aval de fixation 32 est ici prolongée vers l'arrière par une patte horizontale 36 de façon que l'extrémité libre arrière 38 de la patte 36 soit reçue dans une encoche 39 formée dans le bord supérieur 20 40 de la bride amont 28. Les deux brides amont 28 et aval 32 peuvent ainsi être fixées rigidement l'une à l'autre, par exemple par soudage ou par encastrement, indépendamment du conduit 22. Ainsi les efforts créés par le turbocompresseur 12, tel que 25 le poids et les vibrations, sont repris directement par la bride 28 et donc par la culasse 14, c'est-à-dire sans " passer " par le conduit 22. De plus, comme représenté aux figures 3 à 5, dans ce mode de réalisation, le collecteur d'échappement 18 comporte 30 aussi une équerre de renfort 42 qui est destinée à constituer un renfort afin de rigidifier l'armature formée par les brides 28 et 32. Comme illustré à la figure 4, l'équerre 42 est ici une plaque de tôle épaisse pliée et coudée qui comporte deux ailes 48 et 52 globalement perpendiculaires, et qui a une section en L. La première aile supérieure verticale 48 de l'équerre 42 s'étend sensiblement vers le haut jusqu'à l'extrémité avant 50 de la face inférieure de la bride aval de fixation 32. La seconde aile horizontale inférieure 52 de l'équerre 42 s'étend sensiblement 5 vers l'arrière jusqu'à l'extrémité inférieure 54 de la face avant de la bride amont de fixation 28. Le galbe de l'équerre 42 enveloppe sensiblement et à distance le conduit 22. L'angle 47 de l'équerre 42 est sensiblement adjacent à la partie saillante du coude du conduit 10 22. L'équerre 42, la bride amont 28 et la bride aval 32 forment un logement qui entoure le conduit 22. L'équerre 42 est ainsi fixé par ses deux extrémités, par exemple par soudage, aux deux brides amont 28 et aval 32 de fixation. Grâce à un tel collecteur 18, le conduit 22 en tôle mince a pour seule fonction de canaliser les gaz d'échappement jusqu'au turbocompresseur 12, tandis que les fonctions de support et de maintien du turbocompresseur 12 sont assurées par les deux brides 28, 32 et l'équerre 42. Ainsi, contrairement au collecteur 20 20 réalisé selon l'état de la technique de la figure 2, le conduit 22 n'est globalement pas soumis aux contraintes mécaniques résultant de la présence du turbocompresseur 12. Les deux brides 28, 32 et l'équerre 42 forment donc une carcasse ou armature 56, c'est-à-dire une structure rigide et 25 avantageusement compacte destinée à supporter le turbocompresseur 12. Dans ce mode de réalisation, la culasse 14 du moteur à combustion 10 comporte un dispositif de refroidissement par eau. La bride amont de fixation 28 qui est fixée sur la paroi externe 30 avant 16 de la culasse 14, bénéficie, par conduction thermique, des effets de régulation thermique du dispositif de refroidissement. Sa température est ainsi maintenue basse par rapport à la température des gaz d'échappement. Les surfaces en contact de la bride aval 32 sur la bride amont 28, et de l'équerre 42 sur la bride amont 28 sont suffisamment importante, pour que la bride aval 32 et l'équerre 42 soient aussi refroidies par conduction thermique avec la bride amont 28. Ainsi la structure 56 bénéficie globalement des effets de régulation thermique du dispositif de refroidissement de la culasse 14. La structure de support 56 est donc maintenue à une température suffisamment basse pour que ses propriétés 10 mécaniques ne soient pas altérées. D'autre part, la surface de contact entre le conduit 22 en tôle mince et les deux brides 28, 32 en tôle épaisse est suffisamment faible pour que les effets de refroidissement par conduction thermique soient négligeables. En outre, le conduit 22, grâce à sa faible inertie thermique, monte rapidement en température dés le début du passage des gaz d'échappement. De plus, la forme d'enveloppe de l'équerre 42 permet avantageusement d'arrêter le rayonnement thermique issu du 20 conduit 22. Ainsi, l'équerre 42 peut par exemple être interposée entre le catalyseur et le conduit 22. Le rayonnement émis par le conduit 22 n'atteint pas, et donc ne chauffe pas, le catalyseur dont le fonctionnement serait susceptible d'être dégradé par un chauffage non maîtrisé. Selon une variante de réalisation, non représentée, le collecteur d'échappement 18 comporte plusieurs orifices d'entrée des gaz d'échappement qui sont reliés individuellement à chaque canal d'évacuation des gaz d'échappement. Selon une autre variante non représentée, les brides amont 30 28 et aval 32 sont réalisées venu de matière en une seule pièce. Selon encore une autre variante non représentée, les brides amont 28 et aval 32 sont réalisées venu de matière avec l'équerre 42. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'échappement (18) de véhicule automobile du type qui comporte: - une bride amont (28) de fixation du collecteur s d'échappement (18) sur une culasse (14) d'un moteur à combustion interne (10) ; et - une bride aval (32) de fixation du collecteur d'échappement (18) sur un composant de la ligne d'échappement, notamment un turbocompresseur (12) ; et - au moins un conduit (22) qui relie au moins un orifice de sortie de gaz d'échappement de la culasse (14) à un orifice d'entrée des gaz d'échappement dans le composant (12), caractérisé en ce que la bride aval (32) est reliée à la bride amont (28) par au moins un élément structurel (36, 42) formant 15 raidisseur, indépendant du conduit (22), de manière que le collecteur (18) constitue une structure porteuse du composant (12). 2. Collecteur d'échappement (18) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une des brides (32) comporte 20 une patte (36) qui est fixée sur l'autre bride (28). 3. Collecteur d'échappement (18) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bride est globalement en forme de plaque, et en ce que la bride amont (28) est située dans un plan globalement perpendiculaire au plan 25 de la bride aval (32). 4. Collecteur d'échappement (18) selon la revendication précédente prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que la patte (36) s'étend dans le même plan que la bride (32) qui la comporte. 5. Collecteur d'échappement (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une équerre (42) qui relie mécaniquement la bride aval (32) à la bride amont (28). 6. Collecteur d'échappement (18) selon la revendication 5 prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que l'équerre (42) a une section en L dont les ailes (48, 52) s'étendent respectivement dans un plan globalement 5 perpendiculaire à la bride amont (28) et à la bride aval (32), de façon à former un logement de section globalement rectangulaire délimité par l'équerre (42) et les deux brides (28, 32), et qui entoure le conduit (22). 7. Collecteur d'échappement (18) selon l'une des 10 revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux brides (28, 32) et l'élément structurel formant raidisseur (36, 42) sont réalisés venu de matière en une seule pièce. 8. Collecteur d'échappement (18) selon l'une des revendications 5 ou 6 éventuellement prise en combinaison avec 15 la revendication 7, caractérisé en ce que l'équerre (42) comporte une surface formant écran qui s'étend en regard du conduit et qui arrête le rayonnement thermique issu du conduit (22). 9. Collecteur d'échappement (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit 20 (22) est réalisé en tôle mince.