Brevet FR2885384A1 — publié le 20061110

La présente invention concerne un collecteur d'échappement pour un moteur à combustion interne. Un collecteur d'échappement a pour fonction de guider les gaz d'échappement de la culasse vers la ligne d'échappement et des équipements en aval tels qu'un turbocompresseur et/ou les éléments périphériques nécessaires au post-traitement des gaz brûlés. Le collecteur d'échappement est généralement équipé de plusieurs branches tubulaires dont les entrées sont chacune solidaires d'une bride d'entrée. Ces branches dirigent, à partir de la sortie des différentes pipes d'échappement de la culasse, les gaz d'échappement vers une sortie principale unique solidaire d'une bride de sortie connectée à la ligne d'échappement. Le collecteur d'échappement est le plus souvent assemblé à la culasse au moyen d'un assemblage vissé qui vient solidariser les brides d'entrée avec la face d'échappement de la culasse. Un joint métallique est intercalé entre la culasse et les brides d'entrée du collecteur d'échappement pour assurer une meilleure étanchéité au gaz d'échappement. Plus particulièrement l'invention est utilisable avec profit dans un collecteur d'échappement du type à double paroi comportant une structure moulée externe, en général en fonte moulée, porteuse des brides d'entrée et d'au moins une bride de sortie et dans laquelle est disposé un tubage interne de guidage des gaz. Cette disposition à tubage interne (décrite par exemple dans le brevet US 4.182.122) permet notamment de réduire les fuites thermiques de gaz d'échappement lors de leur passage au travers du collecteur et améliore ainsi le rendement du traitement anti-pollution de ces gaz en aval du collecteur. La fabrication d'un collecteur à double paroi à structure moulée externe ou d'un collecteur à corps monobloc à structure moulée impose l'usinage des brides d'entrée, de la bride sortie vers la ligne d'échappement et le cas échéant de la bride de recirculation des gaz (ligne EGR) afin de garantir à ces brides une planéité et une rugosité acceptables, et une absence d'ondulation inacceptable et pour assurer une bonne liaison et une bonne étanchéité avec les composants auxquels est associé le collecteur. En particulier l'usinage de ces pièces est une opération coûteuse et génère des copeaux que l'on doit retirer par un lavage soigneux (opération également coûteuse) afin de préserver le bon fonctionnement des composants en aval (tels que le turbocompresseur, la vanne EGR et le catalyseur). L'invention a pour but de proposer des collecteurs d'échappement à structure moulée permettant d'éviter l'usinage d'au moins une des brides du collecteur. A cette fin l'invention propose un collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne comportant une structure moulée pourvue de brides d'entrée et d'au moins une bride de sortie, la face extérieure d'au moins une desdites brides comportant ou intégrant en couverture une plaque d'interface définissant la surface d'appui de ladite bride. Ainsi en rapportant ou en intégrant à la coulée la plaque d'interface en couverture de la bride, on obtient directement une bride à surface d'appui de bonne qualité dépendant directement de celle de la plaque d'interface, ce qui est relativement facile et peu coûteux à obtenir à partir d'une plaque en tôle et évite les risques liés à la formation de copeaux d'usinage. Ainsi la ou les brides à plaque d'interface présentent une paroi mixte, par exemple fonte moulée recouverte en surface d'une épaisseur d'acier obtenue à partir d'une tôle. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le collecteur d'échappement du type à double paroi dans lequel un tubage interne de guidage des gaz (de préférence en acier ou autre alliage résistant aux hautes températures des gaz d'échappement), est disposé à l'intérieur de la structure moulée externe, est caractérisé en ce que la plaque d'interface est montée en contact avec une tubulure d'entrée ou de sortie dudit tubage. La mise en contact, au niveau des brides, de la ou des plaques d'interface avec le tubage interne à deux avantages principaux, le premier étant la possibilité de maintenir les plaques d'interface avec le tubage pendant l'opération de coulée de la structure externe, le second étant la possibilité d'éviter tout contact direct corrosif entre les gaz d'échappement et la paroi, en général en fonte, de la structure externe moulée. II est en effet aisé de choisir pour le tubage comme pour les plaques d'interface des nuances d'acier présentant une bonne tenue à la corrosion à la température des gaz d'échappement en sortie de culasse. Selon une première variante la plaque d'interface est montée en contact avec recouvrement sur une tubulure d'entrée ou de sortie dudit tubage. Plus particulièrement la plaque d'interface présente une ouverture à bord rentrant destiné à être inséré dans la dite tubulure d'entrée ou de sortie dudit tubage. Ce montage à recouvrement permet si nécessaire le mouvement relatif entre les plaques et les tubulures d'entrée ou de sortie du tubage pour tenir compte des dilatations différentielles. De plus l'agencement à bord rentrant inséré dans les tubulures d'entrée ou de sortie assure une bonne protection des extrémités des tubulures (tout particulièrement pour les brides d'entrée compte tenu du sens de l'écoulement des gaz) et une bonne étanchéité aux gaz d'échappement pour la protection de la paroi de la structure moulée externe. Selon une autre variante également avantageuse la plaque d'interface est soudée à une extrémité de la tubulure d'entrée ou de sortie dudit tubage. Ces 15 soudures permettent de renforcer liaison entre le tubage et les plaques d'interface. Selon encore une autre variante du collecteur d'échappement selon l'invention, la plaque d'interface est réalisée en tôle d'acier emboutie. Ceci permet d'obtenir à moindre coût des surfaces d'appui pour les brides avec un bon état de surface. Avantageusement le collecteur d'échappement selon l'invention comporte en variante une pluralité de brides d'entrée recouvertes chacune par une plaque d'interface et adaptées pour coopérer avec la face d'échappement de la culasse du moteur. Tout aussi avantageusement le collecteur d'échappement selon l'invention comporte en variante une bride de sortie recouverte par une plaque d'interface et adaptée pour coopérer avec la ligne d'échappement du moteur et/ou une bride de sortie recouverte par une plaque d'interface et adaptée pour coopérer avec la ligne de recirculation des gaz du moteur. Selon une autre variante du collecteur d'échappement selon l'invention, chaque plaque d'interface est solidarisée à la bride correspondante du collecteur lors de la coulée de la structure moulée. En particulier pour un collecteur à double paroi, la ou les plaques d'interface sont solidarisées audit tubage avant la coulée de la structure moulée externe. De façon optionnelle mais intéressante le tubage interne est recouvert d'un isolant thermique, de préférence à base de laine de roche, avant la coulée de la structure moulée externe. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un collecteur d'échappement du type à double paroi défini ci-avant dans toutes ses variantes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les opérations suivantes: - fabrication et montage des éléments du tubage interne pour obtenir ledit tubage interne; - fabrication et solidarisation de la ou des plaques d'interface sur ledit tubage interne; et - coulée de la structure moulée externe en fonte ou en acier coulé en laissant libre la surface d'appui correspondante de la ou des brides concernées. Ce procédé s'avère nettement moins coûteux que le procédé connu à usinage des brides d'un collecteur à double paroi à structure moulée externe en fonte ou en acier. 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 limitatif en référence au dessin cijoint dans lequel l'unique figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'un collecteur d'échappement selon l'invention du type à double paroi. Le collecteur d'échappement 10 à double paroi pour moteur à combustion interne à quatre cylindres illustré à la figure 1 concerne un mode réalisation de l'invention donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en l'espèce un collecteur 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 du type à double paroi réalisé avec structure externe moulée 12 obtenue par coulée de fonte ou d'acier dans laquelle disposée un tubage interne 13 en acier à haute tenue en température. Toutefois l'invention n'est pas limitée aux collecteurs à double paroi et peut être mise en oeuvre dans des collecteurs dont le corps monobloc est réalisé par une structure moulée. 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 tubage interne et à plaques d'interface protectrices 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 d'usinabilité engendrent une légère augmentation des coûts de fabrication pour le collecteur d'échappement connus à brides usinées. Ainsi les collecteurs selon l'invention utilisant ce type de fontes bénéficient pleinement des avantages conférés par l'invention notamment en évitant de recourir à l'usinage. 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 la figure 1, le collecteur à double paroi 10 à structure moulée externe 12 comporte quatre brides d'entrée 14a, 14b, 14c et 14d en ligne (selon XX') dans lesquelles débouchent les extrémités des quatre tubulures d'entrée 16a, 16b, 16c et 16d du tubage interne disposé dans le conduit interne 11 (multibranches) de la structure moulée. Chaque bride d'entrée 14a à 14d est recouverte par une plaque d'interface 15a, 15b, 15c et 15d en tôle d'acier emboutie présentant chacune une ouverture centrale 18 à bord rentrant 20 et définissant la surface d'appui 21 de la bride correspondante. Les brides d'entrées 14a à 14d qui s'étendent parallèlement au plan d'interface sont destinées à être solidarisées de façon étanche sur la culasse (non représentée) du moteur (éventuellement avec un joint d'étanchéité entre les surfaces d'appui des brides d'entrée et la face d'échappement de la culasse) et de façon à connecter les tubulures d'entrée (16a à 16d) du collecteur avec les conduits d'échappement des cylindres correspondants. Comme illustré sur la figure 1 le bord rentrant 20 est inséré dans la tubulure d'entrée correspondante (par exemple la tubulure 16a) pour venir au contact avec 35 recouvrement avec l'extrémité de la tubulure et protéger totalement la paroi 19 de la structure moulée externe 12. Quoique optionnel le recouvrement améliore la fiabilité du contact compte tenu des vibrations du moteur et des contraintes mécanothermiques auxquelles sont soumis les divers composants du collecteur. Toujours de façon optionnelle mais pouvant être avantageuse, les bords 20 sont soudés aux extrémités des tubulures (16a à 16d). De plus au niveau de chaque bride, la section du conduit interne 11 se rétrécit à son embouchure 17 pour permettre à la tubulure correspondante (par exemple 14a) d'être en contact direct et serrée par la paroi interne 19 de la structure moulée 12. Le collecteur 10 comporte une bride de sortie principale 22 latérale (s'étendant sensiblement parallèlement au plan de la figure 1) destinée à être connectée à la ligne d'échappement du moteur (non représentée), et au centre de laquelle débouche l'extrémité de la tubulure de sortie principale 24 et une bride de sortie auxiliaire 26 excentrée voisine de la bride d'entrée 14a, destinée à être connectée à la ligne de recirculation des gaz du moteur (non représentée) et au centre de laquelle débouche l'extrémité de la tubulure de sortie auxiliaire 28. Comme pour les brides d'entrée 14a à 14d, les brides de sortie 22 et 26 portent chacune une plaque d'interface en tôle d'acier emboutie présentant une ouverture centrale 18 à bord rentrant 20 inséré dans et soudé à l'extrémité de la tubulure de sortie correspondante (seule la plaque d'interface 27 de la bride 26 est visible en coupe sur la figure 1, la plaque d'interface 23 de la bride 22 apparaissant seulement par son bord rentrant 20 inséré à l'intérieur de la tubulure de sortie 24). Comme illustré à la figure 1, le tubage interne 13 est composé d'une portion tubulaire centrale longitudinale 30 pourvue d'embranchements inférieurs 31b, 31c et latéral 32 dans lesquels sont respectivement insérées à force (et éventuellement soudées) les extrémités internes des tubulures d'entrée centrales 16b et 16c d'une part et de la tubulure de sortie principale 24 d'autre part. Les tubulures d'entrée d'extrémité 16a et 16d sont coudées et insérées à force dans des embouts d'extrémité 33a et 33d de la portion longitudinale 30 conformés pour permettre un éventuel glissement axial au niveau des embouts en cas de contraintes mécaniques trop importantes notamment d'origine thermique. Enfin la tubulure d'entrée 16a comporte un embranchement 34 dans lequel est insérée à force (et éventuellement soudée) la tubulure de sortie auxiliaire 28. A l'exception des zones d'embouchure 17 des brides d'entrée et de sortie, il est prévu à l'intérieur de la structure moulée 12 un espace d'isolation thermique 36 d'épaisseur sensiblement constante entre la paroi du conduit interne 11 de la structure moulée 13 et le tubage interne 13. Cet espace 36 est laissé empli d'air. La fabrication du collecteur 10 peut être réalisée par la mise en oeuvre du procédé comportant les opérations suivantes: - fabrication et montage des éléments du tubage interne (portion centrale 30, tubulures d'entrée 16a à 16d, tubulure de sortie 24 et 28) pour obtenir ledit tubage interne 13; - fabrication par emboutissage de tôle d'acier des plaques d'interface 15a à 15d, 23 et 27 avec un état de surface satisfaisant sur au moins le côté de la plaque destiné à réaliser la surface d'appui de la bride correspondante du collecteur et solidarisation par soudure des plaques d'interface 15a à 15d, 23 et 27 sur le tubage interne 13; et - Mise place de l'ensemble tubage interne 13, plaques d'interface de bride et isolant thermique 38 dans un moule et coulée de la structure moulée en fonte en laissant libre la surface d'appui correspondante des brides et en évitant l'introduction de la fonte à l'intérieur du tubage interne. On notera que les plaques d'interface en tôle sont solidement intégrées aux brides de la structure externe moulée 12 lors de la coulée de celleci (les brides présentant une paroi mixte, en l'espèce en fonte moulée recouverte d'acier) et que l'étanchéité du collecteur ainsi réalisé entre la structure externe moulée 12 et le tubage interne 13 est assuré au niveau des zones d'embouchure 17 par un frettage naturel lié au retrait de la fonte moulée sur les tubulures d'entrée 16a à 16d et de sortie 24 et 28. De plus le bon état de surface (notamment planéité et rugosité acceptables et absence ondulation inacceptable) de la tôle emboutie avant coulée de la structure moulée est conservé après celle-ci, évitant ainsi tout recours ultérieur à un quelconque usinage des surfaces d'appui des brides du collecteur. L'espace 36 est laissé empli d'air, l'isolation thermique étant obtenue par effet dit de lame d'air . Pour ce faire le tubage interne 13 après son montage est placé dans un outillage permettant de réaliser un noyau de sable de fonderie dont le volume correspond à l'espace 36. De plus une ouverture de taille adéquate est prévue au travers de la paroi 19 de la structure 12 pour permettre l'évacuation du sable de fonderie après la coulée. REVENDICATIONS 1. Collecteur d'échappement (10) pour moteur à combustion interne comportant une structure moulée (12) pourvue de brides d'entrée (14a, 14b, 14c, 14d) et d'au moins une bride de sortie (24, 26), caractérisé en ce que la face extérieure d'au moins une desdites brides comporte en couverture une plaque d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, 23, 27) définissant la surface d'appui (21) de ladite bride. 2. Collecteur d'échappement selon la revendication 1 du type à double paroi dans lequel un tubage interne (13) de guidage des gaz est disposé à l'intérieur de la structure moulée (12), caractérisé en ce que la plaque d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, 23, 27) est montée en contact avec une tubulure d'entrée (16a, 16b, 16c, 16d) ou de sortie (24, 28) dudit tubage (13). 3. Collecteur d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, 23, 27) est montée en contact avec recouvrement sur une tubulure d'entrée (16a, 16b, 16c, 16d) ou de sortie (24, 28) dudit tubage (13). 4. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la plaque d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, ;23, 27) présente une ouverture (18) à bord rentrant (20) destiné à être inséré dans ladite tubulure d'entrée (16a, 16b, 16c, 16d) ou de sortie (24, 28) dudit tubage (13). 5. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la plaque d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, 23, 27) est soudée à une extrémité de la tubulure d'entrée (16a, 16b, 16c, 16d) ou de sortie (24, 28) dudit tubage (13). 6. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, 23, 27) est réalisée en tôle d'acier emboutie. 7. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de brides d'entrée (14a, 14b, 14c, 14d) recouvertes chacune par une plaque d'interface (15a, 15b, 15c, 15d) et adaptées pour coopérer avec la face d'échappement de la culasse du moteur. 8. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une bride de sortie (22) recouverte par une plaque d'interface (23) et adaptée pour coopérer avec la ligne d'échappement du moteur et/ou une bride de sortie (26) recouverte par une plaque d'interface (27) et adaptée pour coopérer avec la ligne de recirculation des gaz du moteur. 9. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque plaque d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, 23, 27) est solidarisée à la bride correspondante (14a, 14b, 14c, 14d, 22, 26) du collecteur lors de la coulée de la structure moulée (12). 10. Collecteur d'échappement selon la revendication 9 prise en combinaison avec l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la ou les plaques d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, 23, 27) sont solidarisées audit tubage (13) avant la coulée de la structure moulée (12). 11. Procédé de fabrication d'un collecteur d'échappement selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les opérations suivantes: - fabrication et montage des éléments (16a, 16b, 16c, 16d, 24, 28, 30) du tubage interne (13) pour obtenir ledit tubage interne; fabrication et solidarisation de la ou des plaques d'interface (15a, 15b, 15c, 15d, 23, 27) sur ledit tubage interne (13); et - coulée de la structure moulée (12) en fonte ou en acier coulé en laissant libre la surface d'appui (21) correspondante de la ou des brides concernées (14a, 14b, 14c, 14d, 22, 26).