Brevet FR2919210A1 — publié le 20090130

PROCEDE DE FABRICATION D'UN COLLECTEUR D'ECHAPPEMENT A DOUBLE PAROI ET COLLECTEUR OBTENU SELON CE PROCEDE [cool] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un collecteur d'échappement à double paroi pour moteurs thermique, en particulier pour les moteurs thermiques équipant des véhicules automobiles. Elle concerne également un collecteur d'échappement à double paroi obtenu par le procédé selon l'invention [0002] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la collecte des gaz brûlés entre la sortie de la culasse et la ligne d'échappement d'un moteur thermique, pour tout type de carburants. [0003] D'une manière générale, les collecteurs d'échappement de véhicules io automobiles sont soumis au cours de leur durée de vie à des contraintes physico-chimiques sévères. Les principaux facteurs qui en limitent la tenue en service sont : • les chocs thermiques liés aux cycles de fonctionnement du moteur, • les efforts mécaniques à chaud notamment au niveau de la bride coté ligne 15 d'échappement, • la corrosion/oxydation des matériaux constituants le collecteur. [0004] Les zones les plus sensibles sont celles situées au niveau du raccordement entre le corps du collecteur et les brides de fixation. En effet, ces zones doivent : 20 • supporter les efforts mécaniques de maintien de la ligne d'échappement, • guider les gaz d'échappement, ce qui implique qu'elles soient très sollicitées par l'écoulement des gaz très chauds et corrosifs. [0005] C'est pourquoi la fabrication des collecteurs d'échappement fait l'objet d'attentions particulières. [0006] On connaît des collecteurs d'échappement à simple paroi généralement réalisés par fonderie, essentiellement par moulage sable à vert avec un noyau sable afin d'obtenir l'évidement nécessaire au passage des gaz d'échappement. Les principaux matériaux utilisés sont les fontes grises, les fontes GS ferritiques ou à matrice austénitique, ainsi que les aciers Io ferritiques et austénitiques. [0007] Cependant, les collecteurs d'échappement à simple paroi présentent des performances limitées en termes d'inertie thermique et démarrage à froid, d'isolation acoustique et thermique, et de tenue mécanique, notamment au niveau du maintien de la ligne d'échappement. 15 [0008] C'est pourquoi, il a été proposé des collecteurs à double paroi, comme par exemple celui décrit dans la demande de brevet français n 2 875 845. Dans ce type de collecteurs, une paroi externe et une paroi interne sont séparées par une lame d'isolation. [0009] Les avantages des collecteurs à double paroi sont les suivants. 20 [0010] La paroi interne, qui peut être choisie de faible épaisseur, a une inertie thermique réduite et monte donc très vite en température, ce qui est favorable lors de démarrages à froid pour traiter le problème de la catalyse des gaz d'échappement. [0011] Du fait de la présence de la paroi interne et d'une couche isolante d'air 25 ou d'isolant dans la lame d'isolation, la paroi externe du collecteur, en fonte par exemple, est moins chaude et rayonne faiblement dans le compartiment moteur. Cette paroi externe assure la tenue mécanique, notamment une partie de la fixation de la ligne d'échappement. [0012] La lame d'air ou un isolant introduit entre les deux parois offre une isolation d'un point de vue acoustique et thermique. [0013] La paroi interne, du fait de sa faible épaisseur, est moins rigide et moins sensible aux chocs thermiques. [0014] Les collecteurs d'échappement à double paroi, tels que celui décrit dans la demande de brevet précitée, sont le plus souvent fabriqués en acier par mécano-soudure. Ce procédé de fabrication présente toutefois un certain nombre d'inconvénients : • un collecteur en acier est généralement plus cher qu'un collecteur en fonte classique, • un collecteur mécano-soudé nécessite un écran acoustique pour réduire le niveau sonore de l'échappement, • la réalisation par mécano-soudure d'un collecteur double paroi en acier est souvent délicate. [0015] Aussi, un but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un collecteur d'échappement à double paroi pour un véhicule automobile, ledit collecteur d'échappement comprenant une paroi externe et une paroi interne séparées par une lame d'isolation, qui permettrait de réaliser des collecteurs d'échappement à double paroi de manière plus simple et plus économique que par le procédé connu par mécano-soudure. [0016] Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que ledit procédé comprend les étapes consistant à : • réaliser des éléments de modèle de la paroi externe dudit collecteur par injection d'un matériau pyrolysable à la température de coulée d'un métal, • réaliser un insert métallique constitutif de la paroi interne dudit collecteur, • assembler ledit insert métallique avec lesdits éléments de modèle de paroi externe et recouvrir l'assemblage obtenu d'un enduit réfractaire, • verser du sable de remplissage entre les éléments de modèle de paroi externe et ledit insert métallique, • couler ledit métal sur lesdits éléments de modèle de paroi externe, • éliminer ledit enduit réfractaire et ledit sable de remplissage. [0017] Le procédé conforme à l'invention consiste donc en substance à réaliser un modèle de la paroi externe du collecteur d'échappement, dans un matériau pyrolysable, à fabriquer et à couler un métal sur le modèle de paroi externe obtenu. Au cours de sa progression, le front de métal évapore le matériau du modèle et prend la place de celui-ci. Le modèle initial en matériau thermoplastique est donc détruit, d'où le nom de fonderie à modèle perdu donné à cette technique. 8] Les avantages du procédé de fabrication selon l'invention sont multiples : • Facilité d'obtention de formes complexes. Le procédé de mise en forme par modèle perdu permet en effet d'obtenir des formes complexes et donc d'avoir une plus grande latitude de conception que par moulage sable à vert ou mécano-soudure. • Très bonne précision dimensionnelle permettant de réduire l'encombrement et la masse du collecteur grâce à la possibilité d'obtenir une paroi externe très mince en alliage, irréalisable par moulage sable à vert , et difficilement ou non usinables. Comme l'insert métallique constituant la paroi interne peut être choisi de faible épaisseur, il est possible de fabriquer des collecteurs double paroi présentant des parois d'épaisseur très faible, de l'ordre de 2 mm, ainsi qu'une lame d'isolation s entre les parois également très mince, d'épaisseur inférieure à 2 mm. Le fait de pouvoir obtenir une paroi interne de très faible épaisseur en réduit notablement l'inertie thermique et favorise sa montée en température, d'où une amplification de l'avantage signalé plus haut concernant les démarrages à froid du moteur thermique. Egalement, une paroi interne très Io mince la rend moins rigide et moins sensible aux chocs. • Obtention d'une forme plus proche du besoin fonctionnel. Les dépouilles de fonderie et les plans de joint de moulage de la paroi externe sont nettement moins prononcés qu'en moulage sable à vert , ce qui entraîne moins de variations d'épaisseur par rapport au dessin fonctionnel 15 de la pièce. Cet aspect est favorable à la tenue en service de la pièce. • Le prix de revient de fabrication est moins élevé qu'un collecteur réalisé en moulage sable à vert ou qu'un collecteur mécano-soudé double paroi [0019] Selon un mode de réalisation du procédé conforme à l'invention, des trous d'évacuation sont ménagés sur au moins un élément de modèle de paroi 20 externe et le sable de remplissage est versé à travers lesdits trous entre les éléments de modèle de paroi externe et l'insert métallique. [0020] L'invention prévoit également que lesdits trous d'évacuation sont bouchés après coulée du métal. [0021] L'invention concerne également un collecteur d'échappement à double 25 paroi pour un véhicule automobile, ledit collecteur d'échappement comprenant une paroi externe et une paroi interne séparées par une lame d'isolation, remarquable en ce que ladite paroi externe est moulée par fonderie à modèle perdu autour d'un insert métallique constituant la paroi interne. [0022] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. [0023] La figure 1 a est une vue en coupe d'un modèle de collecteur d'échappement à double paroi avant moulage de la paroi externe par fonderie à modèle perdu. [0024] La figure 1 b est une section droite d'un conduit du modèle de collecteur de la figure 1 a. [0025] La figure 2a est une vue en coupe d'un collecteur d'échappement io fabriqué à partir du modèle de la figure 1. [0026] La figure 2b est une section droite d'un conduit du collecteur de la figure 2a. [0027] Les figures 3a et 3b sont des vues en coupe de deux variantes d'un premier mode de liaison entre la paroi externe et l'insert métallique du 15 collecteur des figures 2a et 2b au niveau d'une bride de fixation. [0028] Les figures 4a et 4b sont des vues en coupe de deux variantes d'un deuxième mode de liaison entre la paroi externe et l'insert métallique du collecteur des figures 2a et 2b au niveau d'une bride de fixation. [0029] Les figures 5a et 5b sont des vues en coupe de deux variantes d'un 20 troisième mode de liaison entre la paroi externe et l'insert métallique du collecteur des figures 2a et 2b au niveau d'une bride de fixation. [0030] Les figures 6a et 6b sont des vues en coupe de deux variantes d'un premier mode de liaison entre la paroi externe et l'insert métallique du collecteur des figures 2a et 2b au niveau d'une bride de fixation. [0031] Sur les figures 1 a et 1 b est représenté un modèle de collecteur pour la fabrication d'un collecteur d'échappement à double paroi pour un véhicule automobile mettant en oeuvre un procédé de fonderie à modèle perdu. [0032] Plus précisément, le modèle de collecteur des figures 1 a et 1 b est composé en deux parties distinctes, à savoir, d'une part, un modèle 10 de paroi externe qui est le reflet exact de la paroi externe 10' du collecteur, illustré sur les figures 2a et 2b, qui sera obtenu à l'issue du procédé, et, d'autre part, un insert métallique 20' constitutif de la paroi interne du collecteur final. [0033] Les figures 1 a et 1 b montrent que le modèle 10 de la paroi externe est réalisé en deux éléments 11, 12, lesquels peuvent être fabriqués par injection dans un moule métallique de granules d'un matériau pyrolysable à basse température, comme par exemple du polystyrène expansé, qui se soudent sous l'action de la vapeur. [0034] L'insert 20' est réalisé en acier, acier réfractaire notamment. [0035] Les éléments 11, 12 du modèle en polystyrène de la paroi externe sont assemblés entre eux par collage autour de l'insert métallique 20', comme l'indiquent les joints 13, 14 de colle montrés sur la figure 1 b. [0036] En pratique, le modèle de paroi externe en polystyrène et l'insert métallique sont eux-mêmes assemblés sur un support, également en polystyrène, de manière à former une grappe de collecteurs. Cette grappe est ensuite recouverte d'une couche d'enduit réfractaire. [0037] Des trous 111 d'évacuation sont prévus, par exemple sur l'élément 11 du modèle de la paroi externe, pour faire pénétrer par vibrations du sable de remplissage sec sans liant dans l'espace 30 entre les éléments 11, 12 de paroi externe et l'insert métallique 20'. [0038] Après coulée de métal et refroidissement de la grappe, le métal s'est substitué au polystyrène des éléments 11, 12 de paroi externe pour constituer avec l'insert métallique le collecteur d'échappement final. Le sable de remplissage et la couche d'enduit réfractaire sont éliminés par les procédés classiques de débourrage. [0039] Si nécessaire, les trous 111 d'évacuation sont rebouchés par des 5 éléments métalliques. [0040] Les matériaux pouvant être utilisés lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention sont par exemple les suivants : • des fontes : - fontes grises, pour de faibles sollicitations thermo-mécaniques. 10 -fontes GS ferritiques : type 400/12 (GS400-12) ou type SiMo et SiMo + fontes GS ferritiques à haut silicium alliées avec du molybdène. -fontes GS à matrice austénitique pour les fortes sollicitations thermiques, à savoir fontes avec fort pourcentage de nickel : NI-15 RESIST ou D5S avec -35 % de nickel et D2B avec - 20% de nickel. • des aciers : - aciers ferritiques de type : 1.4509, X2CrTiNb18 (F17 TNB), 1. 4512, X2CrTi12 (F12T), 1.4510, Z4 CT 17, 1.4526, Z8 CdNb 17-01, 1.4513, X2CrMoTi17-1 (F17MT). 20 - aciers austénitiques de type : 1.4828, X15CrNiSi20-12, 1.4301, X5CrNi 18-10, 1.4541, X6CrNiTi 18-10. [0041] Les figures 2a et 2b représentent sur des vues équivalentes un collecteur d'échappement obtenu à partir du modèle en polystyrène des figures la et 1 b. 25 [0042] Le collecteur des figures 2a, 2b comprend donc une paroi externe 10' moulée en une seule pièce au moyen du procédé de l'invention sur l'insert constituant la paroi interne 20', et une lame 30' d'isolation séparant les deux parois. [0043] La lame 30' d'air d'isolation peut être comblée par un matériau isolant acoustique et/ou thermique. [0044] Les figures 3a à 6b illustrent différents modes de liaison entre l'insert métallique 20' et la paroi externe 10' au niveau des brides 15 de fixation du collecteur en sortie de la culasse du moteur. Les figures 3a, 4a, 5a et 6a concernent des versions avec reprise d'appui sur les fixations des brides du collecteur, tandis que les figures 3b, 4b, 5b et 6b concernent des versions sans reprise d'appui. [0045] Sur les figures 3a et 3b, l'insert 20' est une tôle d'acier pliée noyée Io dans la bride 15. [0046] Les modes de liaison des figures 4a et 4b sont du type renfort soudé noyé, impliquant une collerette 21 en acier soudée sur l'insert 20', lui-même en acier. [0047] Sur les figures 5a et 5b, l'insert 20' est une tôle d'acier pliée noyée 15 débouchant sur la face extérieure de la bride 15. [0048] Les modes de liaison des figures 6a et 6b sont du type renfort soudé débouchant, impliquant une collerette 22 en acier soudée sur l'insert 20' en acier. 20 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un collecteur d'échappement à double paroi pour un véhicule automobile, ledit collecteur d'échappement comprenant une paroi externe (10') et une paroi interne (20') séparées par une lame (30') d'isolation, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes consistant à : - réaliser des éléments (11, 12) de modèle (10) de la paroi externe dudit io collecteur injection d'un matériau pyrolysable à la température de coulée d'un métal, - réaliser un insert métallique (20') constitutif de la paroi interne dudit collecteur, - assembler ledit insert métallique (20') avec lesdits éléments (11, 12) de 15 modèle de paroi externe et recouvrir l'assemblage obtenu d'un enduit réfractaire, - verser du sable de remplissage entre les éléments (11, 12) de modèle de paroi externe et ledit insert métallique (20'), - couler ledit métal sur lesdits éléments (11, 12) de modèle de paroi externe, 20 - éliminer ledit enduit réfractaire et ledit sable de remplissage. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel des trous (111) d'évacuation sont ménagés sur au moins un élément (11) de modèle de paroi externe et le sable de remplissage est versé à travers lesdits trous (111) entre les éléments (11, 12) de modèle de paroi externe et l'insert métallique (20'). 25 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite lame (30') d'isolation est comblée par un matériau d'isolation acoustique et/ou thermique après coulée du métal.. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel lesdits trous (111) d'évacuation sont bouchés après coulée du métal. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit matériau pyrolysable est à base de polystyrène. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit métal est de la fonte ou de l'acier. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit insert métallique est en acier réfractaire. 8. Collecteur d'échappement à double paroi pour un véhicule automobile, ledit Io collecteur d'échappement comprenant une paroi externe (10') et une paroi interne (20') séparées par une lame (30') d'isolation, caractérisé en ce que ladite paroi externe (10') est moulée par fonderie à modèle perdu autour d'un insert métallique constituant la paroi interne (20'). 9. Collecteur d'échappement selon la revendication 8, dans lequel ladite lame 15 (30') d'isolation contient un matériau d'isolation acoustique et/ou thermique.