Brevet FR2919209A1 — 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 15 ligne 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 d'une part, supporter les efforts mécaniques de maintien de 20 la ligne d'échappement, et d'autre part guider les gaz d'échappement et sont donc très sollicitées par l'écoulement de 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 ferritiques et austénitiques. [0007] Cependant, les collecteurs d'échappement à simple paroi présentent Io des performances limitées en termes d'inertie thermique et démarrage à froid, de tenue mécanique, notamment maintien de la ligne d'échappement, et d'isolation acoustique et thermique. [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. 15 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 nombreux :. [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 20 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 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 25 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] Mais si les avantages des collecteurs à double-paroi sont nombreux, ils posent néanmoins de grande difficulté au niveau de leur fabrication. En effet le procédé de fabrication de collecteurs d'échappement en acier par mécano-soudure présente 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 de mécano-soudure connu. [0016] Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que ledit procédé comprend les étapes consistant à : - réaliser des éléments de modèle desdites parois dudit collecteur par injection d'un matériau thermoplastique, -assembler lesdits éléments de modèle et les recouvrir d'un enduit réfractaire, - verser du sable de remplissage entre les éléments de modèle de la paroi externe et de la paroi interne, - couler un métal sur lesdits éléments de modèle, - éliminer ledit enduit réfractaire et ledit sable de remplissage. [0017] Le procédé conforme à l'invention consiste donc en substance à réaliser un modèle en matériau thermoplastique du collecteur d'échappement à fabriquer et à couler un métal sur le modèle de collecteur obtenu. Au cours de sa progression, le front de métal évapore le matériau thermoplastique 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. [0018] 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 des parois très minces en alliage, irréalisables par moulage sable à vert et difficilement ou non usinables. On peut donc fabriquer des collecteurs double paroi présentant des parois d'épaisseur très faible, de l'ordre de 2 mm, ainsi qu'une lame d'isolation 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 s 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 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 sont nettement moins prononcés qu'en moulage sable à vert , ce qui entraîne moins de variations d'épaisseur par rapport au dessin fonctionnel de la pièce. Io 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 15 trous d'évacuation sont ménagés sur l'élément de modèle de la paroi externe et le sable de remplissage est versé entre les éléments de modèle des parois à travers lesdits trous. [0020] Dans une variante de réalisation préférée, l'invention prévoit que lesdits trous d'évacuation sont bouchés après coulée du métal. 20 [0021] Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, un élément de modèle de la paroi interne porte une veine longitudinale de matériau thermoplastique. Lors de la coulée du métal, cette veine longitudinale facilite l'acheminement du métal liquide à travers les éléments de modèle de la paroi interne. Après coulée, la paroi interne est alors revêtue d'une veine métallique 25 longitudinale qui rigidifie le conduit formé par la paroi interne. [0022] L'invention concerne également 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, remarquable en ce que lesdites parois sont moulées en une seule pièce par fonderie à modèle perdu. [0023] Selon un mode de réalisation particulier, la paroi interne porte une 5 veine métallique longitudinale. [0024] 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. - La figure 1 a est une vue en coupe d'un modèle de collecteur io d'échappement à double paroi avant moulage par fonderie à modèle perdu. - La figure 1 b est une section droite d'un conduit du modèle de collecteur de la figure 1 a. - La figure 2a est une vue en coupe d'un collecteur d'échappement 15 fabriqué à partir du modèle de la figure 1. -La figure 2b est une section droite d'un conduit du collecteur de la figure 2a. [0025] 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 20 automobile selon un procédé de fonderie modèle perdu. Ce modèle est le reflet exact du collecteur, illustré sur les figures 2a et 2b, qui sera obtenu à l'issue du procédé. [0026] Les figures 1 a et 1 b montrent que le modèle 10 de la paroi externe est réalisé en deux éléments 11, 12 tandis que le modèle de la paroi interne ne 25 présente qu'un seul élément 20. [0027] Ces éléments 11, 12, 20 de modèle sont réalisés par injection dans un moule métallique de granules d'un matériau thermoplastique, du polystyrène par exemple, qui se soudent sous l'action de la vapeur. [0028] Les éléments 11, 12 du modèle en polystyrène de la paroi externe sont assemblés entre eux par collage, comme l'indiquent les joints 13, 14 de colle montrés sur la figure 1 b. [0029] En pratique, plusieurs modèles en polystyrène sont eux-mêmes assemblés sur un support de manière à former une grappe de collecteurs. Cette grappe est ensuite recouverte d'un enduit réfractaire. [0030] On notera sur les figures 1 a et 1 b la présence sur le modèle 20 de la paroi interne d'une veine longitudinale 21 en polystyrène dont le but est de permettre l'alimentation/acheminement du métal liquide dans les zones de faibles épaisseurs du modèle 20 de paroi interne, et de former sur la paroi interne du collecteur une veine métallique équivalente, comme on le verra plus 1s loin. [0031] 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'élément 20 de paroi interne. 20 [0032] Après coulée de métal et refroidissement de la grappe, le métal s'est substitué au polystyrène des éléments de modèle pour constituer le collecteur d'échappement final. Le sable de remplissage et la couche d'enduit réfractaire sont éliminés par les procédés classiques de débourrage. [0033] Si nécessaire, les trous 111 d'évacuation sont rebouchés par des 25 éléments métalliques. [0034] 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. ii. fontes GS ferritiques : type 400/12 (GS400-12) ou type SiMo et SiMo + fontes GS ferritiques à haut silicium alliées avec du 5 molybdène. iii. fontes GS à matrice austénitique pour les fortes sollicitations thermiques, à savoir fontes avec fort pourcentage de nickel : NIRESIST ou D5S avec -35 % de nickel et D2B avec - 20% de nickel. io - - 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). ii. aciers austénitiques de type : 1.4828, X15CrNiSi20-12, 1.4301, 15 X5CrNi18-10, 1.4541, X6CrNiTi18-10. [0035] 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. [0036] Le collecteur des figures 2a, 2b comprend donc une paroi externe 10', 20 une paroi interne 20', moulées en une seule pièce au moyen du procédé de l'invention, et une lame 30' d'isolation séparant les deux parois. [0037] La lame 30' d'air d'isolation peut être comblée par un matériau isolant acoustique et/ou thermique. [0038] Comme annoncé plus haut, une veine métallique 21' localisée est 25 réalisée le long des conduits de la paroi interne 20'.Cette veine 21' est l'image 8 de la veine 21 en polystyrène présente sur le modèle 20 de la paroi interne montré aux figures 1 a et 1 b. 9] Le but de cette veine métallique 21' est de permettre l'obtention d'une paroi interne 20 de très faible épaisseur, de l'ordre de 2mm. [0040] Cette veine 21' peut être disposée à l'intérieur ou à l'extérieur de la paroi interne 20'. Elle peut aussi servir à rigidifier la paroi interne. i0 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, 20) de modèle desdites parois dudit collecteur io par injection d'un matériau thermoplastique, -assembler lesdits éléments de modèle et les recouvrir d'un enduit réfractaire, - verser du sable de remplissage entre les éléments (11, 12, 20) de modèle de la paroi externe et de la paroi interne, - couler un métal sur lesdits éléments de modèle, 15 - 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 l'élément de modèle (11, 12) de la paroi externe et le sable de remplissage est versé entre les éléments de modèle des parois à travers lesdits trous (111). 20 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. 2919209 Il 4. 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 un élément (20) de modèle de la paroi interne porte une veine longitudinale (21) 5 de matériau thermoplastique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit matériau thermoplastique est du polystyrène. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit métal est de la fonte ou de l'acier. io 8. 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 lesdites parois (10', 20') sont moulées en une seule pièce par fonderie à modèle perdu. 15 9. Collecteur d'échappement selon la revendication 8, dans lequel la paroi interne (20') porte une veine métallique longitudinale (21'). 10. Collecteur d'échappement selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel ladite lame (30') d'isolation contient un matériau d'isolation acoustique et/ou thermique. 20