Brevet FR2885386A1 — publié le 20061110

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: - une coque externe; - une bride soudée à la coque externe et présentant une surface d'appui sur une culasse de moteur et au moins un orifice débouchant sur ladite surface d'appui, - au moins un conduit interne disposé dans l'enveloppe extérieure et débouchant par un orifice. 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. La liaison et l'étanchéité entre les conduits internes et la bride sont délicates à assurer du fait des dilatations différentielles constatées entre les conduits internes et la bride sous l'effet du transfert de chaleur issue des gaz d'échappement. 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. A cet effet, l'invention a pour objet un collecteur du type précité, caractérisé en ce que: - le ou chaque conduit interne est formé en un matériau céramique; - le ou chaque conduit interne est engagé au travers du ou de chaque orifice; et - il comporte un joint annulaire disposé autour du ou de chaque conduit interne entre le ou chaque conduit interne et la périphérie du ou de chaque orifice de la bride. Suivant des modes particuliers de réalisation, le collecteur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le jeu radial défini entre la bride et le ou chaque conduit interne au travers du ou de chaque orifice est inférieur à 0,5 mm; - la bride présente, à la périphérie du ou de chaque orifice, un épaulement s'ouvrant sur la surface d'appui, et le joint est reçu partiellement dans ledit épaulement; - la bride présente, à la périphérie du ou de chaque orifice, un épaulement s'ouvrant sur la surface de la bride opposée à la surface d'appui, et le joint est reçu partiellement dans ledit épaulement; - le ou chaque conduit interne comporte un rétreint périphérique im-médiatement en regard de la bride, le joint étant serré entre le rétreint périphérique et l'épaulement; l'épaulement s'étend sur une épaisseur comprise entre le quart et les trois-quarts de l'épaisseur de la bride; -la bride présente, à la périphérie du ou de chaque orifice, une gorge ménagée dans la partie médiane de l'épaisseur de la bride à l'écart de la surface d'appui, et le joint est reçu partiellement dans ladite gorge; -le joint est collé à la bride; - le joint comporte des fibres céramiques longues; - le ou chaque conduit interne s'étend sur l'essentiel de l'épaisseur de la bride et s'achève essentiellement au niveau de la surface d'appui; - la bride présente, à la périphérie du ou de chaque orifice, un suralésage s'ouvrant sur la surface de la bride opposée à la surface d'appui, et l'extrémité du ou de chaque conduit interne est reçue dans le ou chaque su- ralésage, la profondeur du ou de chaque suralésage étant supérieure à l'épaisseur de l'extrémité du ou de chaque conduit interne; et - le collecteur comporte une garniture de calage interposée entre la coque externe et le ou chaque conduit interne. L'invention a également pour objet un moteur comportant une culasse délimitant des sorties d'échappement et un collecteur tel que défini plus haut rapporté sur la culasse avec la surface d'appui contre la culasse et les orifices en regard des sorties d'échappement, caractérisé en ce que le ou chaque joint est comprimé entre la culasse, l'épaulement et le conduit interne. 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 culasse d'un mo- teur; - la Figure 2 est une vue en coupe du détail de la liaison du collecteur d'échappement et de la culasse d'un moteur; et - les Figures 3 à 7 sont des vues identiques à celle de la figure 2 de variantes de réalisation du collecteur et de la culasse. 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. L'enveloppe 18 comporte une coque externe 22 enveloppant l'en-semble des tubes 20 et une bride 24 de liaison du collecteur sur la culasse 15 du moteur. La coque externe 22 est formée par exemple de deux demi coques métalliques assemblées l'une à l'autre par une soudure périphérique médiane. Cette coque définit un profil convergent de la bride 24 vers une extrémité de sortie 26. La bride 24 est formée d'une plaque massive présentant quatre orifices d'entrée 28 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. La bride présente une face principale extérieure formant une surface d'appui 24A sur le plan 16 de la culasse et une surface opposée interne 24B sur laquelle la coque externe 22 est fixée par une soudure externe 29. Les tubes internes 20 sont formés dans un matériau céramique tel que 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 particulièrement adaptés en raison de leur grande inertie thermique, de leurs propriétés mécaniques leur permettant de résister au flux de gaz chauds présents dans l'échappement et aux sollicitations vibratoires propres aux véhicules auto- mobiles 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 dans leur partie courante est comprise entre 0,4 et 0,8 mm. Ils convergent les uns vers les autres depuis les orifices d'entrée 28 du collecteur correspondant chacun à un cylindre pour former un faisceau de tubes débouchant à la sortie 26 du collecteur au travers d'un tronçon sensiblement tubulaire 30 formant la sortie 26 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-versa) au tronçon 30 au niveau de leur extrémité aval. A cette extrémité, chaque tube a une section en forme de quartier de disque. Les quatre tubes sont maintenus en position radiale dans la conduite 30 par un joint 31 formé d'un anneau en treillis métallique. A leur autre extrémité, les tubes 20 s'étendent chacun au travers d'un orifice 28. Chaque tube traverse la bride 24 suivant sensiblement toute son épaisseur au travers d'un orifice 28 comme illustré sur la Figure 2. Ainsi, chaque tube 20 s'achève essentiellement dans le plan de la surface d'appui 24A de la bride. Chaque sortie d'échappement 14 présente une section correspondant à la section intérieure du tube 20 correspondant et est rigoureusement alignée avec celui-ci. Le jeu radial entre chaque orifice 28 et le tube 20 correspondant est très petit et notamment inférieur à 0,5 mm. Avantageusement, un épaulement périphérique 34 est ménagé dans la bride 24 à la périphérie de chaque orifice 28. Cet épaulement 34 débouche suivant la surface d'appui 24A. II s'étend sur une portion de l'épaisseur de la bride comprise entre le quart et les trois-quarts. La section de l'épaulement 34 est sensiblement carrée. Un joint d'étanchéité 36 est reçu dans l'épaulement 34 et est propre à s'appliquer contre la surface extérieure du tube 20 et contre la surface 16 de culasse. Ainsi, le joint a une section supérieure aux deux dimensions transversales de l'épaulement. Le joint 36 comporte avantageusement des fibres de céramique longues. Il est constitué par exemple de FlecN2.3 de la société Ibiden. Le joint 36 assure l'étanchéité d'une part entre la culasse 15 et la bride 24 et d'autre part entre la bride 24 et chaque conduit 20. Ainsi, les gaz d'échappement ne circulent pas dans l'espace inter-parois 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, la bride et la culasse. Ainsi, l'extrémité libre des tubes 20 est seulement légèrement en retrait par rapport à la surface d'appui 24A, garantissant ainsi une coopération satisfaisante avec le joint 36, sans risque que l'extrémité des tubes ne vienne heurter la surface 16 de la culasse. 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 24, 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 les figures 3 à 7 représentant des variantes de réalisation, les éléments identiques ou analogues à ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes numéros de référence. Dans le mode de réalisation de la figure 3, l'épaulement 34 s'ouvre non pas sur la surface d'appui 24A de la bride mais au contraire sur la surface opposée 24B. Dans ce mode de réalisation, le joint 36 est seulement enserré entre l'épaulement 34 de la bride et le tube 20. Le joint 26 est retenu par collage dans l'épaulement 34. Dans ce mode de réalisation également, le tube 20 s'étend sur l'essentiel de l'épaisseur de la bride 24, évitant un échauffement inutile de la bride 24 sous l'action de la chaleur des gaz d'échappement. Le prolonge- ment du tube 20 suivant l'essentiel de l'épaisseur de la bride permet égale-ment une bonne coopération entre le joint 36 et la surface externe du tube 20, laquelle s'étend au-delà de l'épaulement 34. Sur la figure 4, les agencements de l'épaulement 34, du joint 36 et de la bride 24 sont identiques à ceux de la figure 3. Seul le tube 20 diffère. Dans ce mode de réalisation, le tube 20 présente un rétreint 40 dis-posé en regard de l'épaulement 34. Ainsi, le tube 20 présente un diamètre réduit suivant le tronçon engagé au travers de l'orifice 28 alors que son dia-mètre est légèrement supérieur dans la partie située à l'extérieur de l'orifice 28 au-delà de la surface 24B. Le joint 36 est ainsi enserré entre le rétreint 40 et l'épaulement 34. Dans ce mode de réalisation, le joint 36 peut ne pas être collé et celuici est retenu axialement et transversalement dans les deux sens entre une surface de l'épaulement et une surface du tube 20. Le mode de réalisation de la figure 5 reprend la structure générale du mode de réalisation de la figure 3. Toutefois, alors que l'épaulement 34 dans le mode de réalisation de la figure 3 présente une section généralement rectangulaire, l'épaulement 34 du mode de réalisation de la figure 5 présente une forme triangulaire, la surface d'appui axiale du joint étant formée par un chanfrein ménagé entre la surface 24B et l'orifice 28. En outre, une garniture de calage 50 est interposée entre la coque externe 22 et les conduits internes 20. Cette garniture de calage est formée par exemple d'une nappe de fibres céramiques non intumescentes résistante à la chaleur, telle qu'une nappe de fibres céramiques longues. Cette nappe est plaquée ou non contre le joint 36. Cette nappe assure un positionnement correct des conduits 20 et de l'enveloppe 22 dans le plan de la bride 24. Le mode de réalisation de la figure 6 reprend les caractéristiques du mode de réalisation de la figure 5. En outre, un suralésage 60 est ménagé dans l'épaisseur de la bride à la périphérie de l'orifice 28. Ce suralésage s'ouvre sur la surface 24B opposée à la surface d'appui 24A. La profondeur du suralésage, mesurée perpendiculairement à l'axe de l'orifice 28, est supérieure à l'épaisseur du conduit interne 20 associé à son extrémité. Cette extrémité du conduit est reçue dans le suralésage 60, de sorte que la surface interne du conduit 20 affleure à la surface interne de l'orifice 28 en dehors du suralésage, cette surface interne de l'orifice 28 prolongeant exactement la surface interne de la sortie d'échappement associée 14. L'extrémité du tube interne 20 est engagée dans le suralésage, de sorte que le bout du tube soit séparé du fond du suralésage d'une distance inférieure à 1 mm. Dans le mode de réalisation de la figure 7, le joint 36 est reçu non pas dans un épaulement s'ouvrant sur l'une des faces de la bride mais, au contraire, dans une gorge périphérique 70 ménagée dans la partie médiane de l'épaisseur de la bride 24. Cette gorge est ménagée à l'écart des surfaces opposées 24A et 24B. Ainsi, le joint 36 est partiellement confiné dans la gorge 70 en étant retenu à l'intérieur de celle-ci par le tube interne 20 qui est engagé dans l'orifice 28. Ces différentes solutions de montage produisent des solutions particulièrement avantageuses en ce qui concerne l'étanchéité du collecteur. REVENDICATIONS 1.- Collecteur d'échappement (12) comportant: - une enveloppe extérieure (18) comprenant: - une coque externe (22) ; - une bride (24) soudée à la coque externe (22) et présentant une surface d'appui (24A) sur une culasse de moteur et au moins un orifice (28) débouchant sur ladite surface d'appui (24A), - au moins un conduit interne (20) disposé dans l'enveloppe extérieure (18) et débouchant par un orifice (28), caractérisé en ce que: - le ou chaque conduit interne (20) est formé en un matériau cérami-que; le ou chaque conduit interne (20) est engagé au travers du ou de chaque orifice (28) ; et - il comporte un joint annulaire (36) disposé autour du ou de chaque conduit interne (20) entre le ou chaque conduit interne (20) et la périphérie du ou de chaque orifice (28) de la bride (24). 2.- Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jeu radial défini entre la bride (24) et le ou chaque conduit interne (20) au tra- vers du ou de chaque orifice (28) est inférieur à 0,5 mm. 3.- Collecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bride (24) présente, à la périphérie du ou de chaque orifice (28), un épaule-ment (34) s'ouvrant sur la surface d'appui (24A), et en ce que le joint (36) est reçu partiellement dans ledit épaulement (34). 4.- Collecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bride (24) présente, à la périphérie du ou de chaque orifice (28), un épaule-ment (34) s'ouvrant sur la surface (24B) de la bride opposée à la surface d'appui (24A), et en ce que le joint (36) est reçu partiellement dans ledit épaulement (34). 5.- Collecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou chaque conduit interne (20) comporte un rétreint périphérique (40) immédiatement en regard de la bride (24), le joint (36) étant serré entre le rétreint périphérique (40) et l'épaulement (34). 6.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'épaulement (34) s'étend sur une épaisseur comprise entre le quart et les trois-quarts de l'épaisseur de la bride (24). 7.- Collecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bride (24) présente, à la périphérie du ou de chaque orifice (28), une gorge (70) ménagée dans la partie médiane de l'épaisseur de la bride (24) à l'écart de la surface d'appui (24A), et en ce que le joint (36) est reçu partiellement dans ladite gorge (70). 8.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le joint (36) est collé à la bride (24). 9.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le joint (36) comporte des fibres céramiques longues. 10.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le ou chaque conduit interne (20) s'étend sur l'essentiel de l'épaisseur de la bride (24) et s'achève essentiellement au niveau de la surface d'appui (24A). 11.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la bride (24) présente, à la périphérie du ou de chaque orifice (28), un suralésage (60) s'ouvrant sur la surface (24B) de la bride op-posée à la surface d'appui (24A), et en ce que l'extrémité du ou de chaque conduit interne (20) est reçue dans le ou chaque suralésage (60), la profondeur du ou de chaque suralésage (60) étant supérieure à l'épaisseur de l'extrémité du ou de chaque conduit interne (32). 12.- Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une garniture de calage (50) interposée entre la coque externe (22) et le ou chaque conduit interne (20). 13.- Moteur comportant une culasse (15) délimitant des sorties d'échappement (14) et un collecteur (12) selon la revendication 3 rapporté sur la culasse (15) avec la surface d'appui (24A) contre la culasse (15) et les orifices (28) en regard des sorties d'échappement (14) , caractérisé en ce que le ou chaque joint (36) est comprimé entre la culasse (15), l'épaulement (34) et le conduit interne (20).