Brevet FR2924467A1 — publié le 20090605

COLLECTEUR D'ECHAPPEMENT AVEC TURBOCOMPRESSEUR INTEGRE La présente invention concerne un collecteur d'échappement pour un moteur à combustion interne intégrant un turbocompresseur, cet ensemble est aussi appelé turbo-collecteur. Plus particulièrement l'invention concerne un turbo-collecteur dont la structure permet de limiter les contraintes thermomécaniques dues à la température élevée des gaz d'échappement, tout en limitant les pertes de chaleur pour obtenir un bon fonctionnement des organes de dépollution situés dans la ligne d'échappement en aval du turbo-collecteur. La publication EP 1 016 778 propose un collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule réalisé en fonte par moulage et intégrant ainsi le carter du turbocompresseur de manière à ce que le collecteur et le turbocompresseur ne forment qu'un seul et même organe. Le turbo-collecteur décrit permet ainsi de collecter les gaz d'échappement aux sorties du moteur et de les diriger vers la turbine du turbocompresseur, tout en minimisant l'encombrement de ces deux organes et en améliorant le flux des gaz d'échappement en entrée de la turbine. Cependant, un tel turbo-collecteur en fonte monobloc subit des contraintes thermomécaniques importantes qui peuvent engendrer des fissures et des fuites de gaz. De plus, des échanges thermiques du turbo-collecteur avec son environnement extérieur provoquent une chute importante de la température des gaz d'échappement ne permettant plus un fonctionnement optimum des organes de dépollution en aval dans la ligne d'échappement. Le but de l'invention, est de proposer un turbo-collecteur d'échappement amélioré, permettant de limiter les contraintes thermomécaniques et de conserver au mieux la chaleur des gaz d'échappement. Dans ce but, l'invention propose un organe d'échappement d'un moteur à combustion interne, intégrant un collecteur d'échappement et un turbocompresseur, le collecteur d'échappement comportant des conduits internes d'échappement destinés à guider les gaz d'échappement et une première enveloppe externe agencée autour des conduits internes d'échappement, et le turbocompresseur comporte un carter interne destiné à guider les gaz d'échappement dans la turbine et une seconde enveloppe externe agencée autour du carter interne, les conduit internes et le carter interne étant reliés ensemble ainsi que la première et la seconde enveloppe externe de manière à définir un volume intermédiaire d'isolation entre les conduits internes et le carter interne, et entre la première et la seconde enveloppe externe. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la première enveloppe externe et les conduits internes peuvent être liés l'un à l'autre au niveau de la bride et des orifices amont. La seconde enveloppe externe peut être montée dans le prolongement de la première enveloppe externe au niveau de l'orifice aval par 15 emmanchement. Le carter interne peut être raccordé aux conduits internes au niveau de l'orifice aval par soudage. Les conduits internes peuvent comporter une portion annelée ou en forme de soufflet située sur en aval de chaque orifice amont. 20 Les conduits internes peuvent comporter une portion annelée ou en forme de soufflet au niveau de l'orifice aval en amont du raccord avec le carter interne. Les parois des conduits internes peuvent être réalisées en tôle. L'invention sera désormais décrite dans un exemple en référence aux 25 dessins annexés suivants : - la figure 1 est une vue en coupe horizontale du turbo-collecteur de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe verticale selon l'axe II-II du turbo-collecteur de la figure 1; 30 En référence aux figures, un collecteur d'échappement 10 destiné à être agencé sur une culasse de moteur à combustion interne (non représenté), notamment de véhicule automobile, afin de guider les gaz d'échappement vers une conduite aval d'échappement (non représentée). Le collecteur 10 pour un moteur à quatre cylindres comporte quatre orifices amont 12. Chaque orifice amont 12 est raccordé à un unique orifice aval 14 par une tubulure 16. Cet orifice aval 14 est aussi l'orifice d'entrée de la turbine du turbocompresseur 8. Chaque tubulure 16 est formée d'un conduit interne 18 dont la paroi est constituée d'un matériau ayant une faible inertie thermique, par exemple les conduits internes sont réalisés en tôle de faible épaisseur, et d'une enveloppe externe rigide 20 qui est destinée à assurer une rigidité et une résistance mécanique suffisantes pour résister aux vibrations et aux sollicitations transmises au collecteur d'échappement 10 lors du fonctionnement du moteur et lors du déplacement du véhicule automobile. L'enveloppe externe 20 laisse les orifices amont 12 et aval 14 dégagés. Le matériau utilisé pour l'enveloppe externe 20 est un métal, par exemple de la fonte ou en tôle. L'enveloppe externe 20 est plus épaisse relativement à la faible épaisseur des conduits internes 16 de manière à augmenter la rigidité et la résistance mécanique du collecteur d'échappement 10. L'enveloppe externe 18 est réalisée venue de matière en une seule pièce notamment de manière supporter plus facilement les contraintes vibratoires inhérentes à une utilisation dans un véhicule automobile. L'enveloppe externe 18 comporte aussi une bride de fixation 22 qui fait saillie radialement autour des orifices amont 12 et est apte à être fixée à la culasse du moteur. A cet effet, la bride de fixation 22 comporte par exemple des trous de fixation qui sont destinés à recevoir des vis de fixation. La bride de fixation 22 peut être réalisée venues de matière avec l'enveloppe externe 20 ou soudée à cette enveloppe externe 20. Le volume intermédiaire 24 interposé entre le conduit interne 18 et l'enveloppe externe 20 forme une isolation thermique. Le volume intermédiaire 24 qui peut simplement être composé d'une couche d'air, permet ainsi d'éviter que la chaleur des gaz d'échappement soit transmise à l'enveloppe externe 20 par l'intermédiaire du conduit interne 18. Ainsi, les contraintes thermiques que subit l'enveloppe externe 18 sont réduites. De plus, les gaz d'échappement chauds perdent peu de chaleur à travers le volume intermédiaire 24 de manière que leur température soit maintenue élevée. Cette caractéristique est notamment avantageuse lorsque le conduit aval d'échappement est équipé d'un catalyseur, ou d'un dispositif de traitement des gaz équivalent, qui doit être chauffé à une température d'amorçage par les gaz d'échappement chauds pour devenir actif. L'enveloppe externe 20 et le conduit interne 18 sont liés l'une à l'autre au niveau de la bride 22 et des orifices amont 12 par soudage par exemple. De même, le turbocompresseur 8 comporte une enveloppe externe 28 autour du carter interne 30 de la turbine du turbocompresseur. L'enveloppe externe 28 du turbocompresseur 8 est montée dans le prolongement de l'enveloppe externe 20 du collecteur 10 au niveau de l'orifice aval 14 soit par simple emmanchement coulissant, soit par soudage. L'enveloppe externe 28 du turbocompresseur 8 peut aussi être tout ou en partie venue de matière avec l'enveloppe externe 20 du collecteur 10. Le carter interne de la turbine 30 est quant à lui raccordé aux conduits internes 18 au niveau de l'orifice aval 14. Afin d'assurer une étanchéité optimale pour éviter les fuites de gaz d'échappement on préférera un raccord par soudage entre ces deux pièces 18 et 30. L'enveloppe externe 28 du turbocompresseur 8 et le carter interne 30 de la turbine sont liés l'un à l'autre par soudage au niveau du passage de l'axe de la turbine par exemple. Cependant, on observe une différence entre la dilatation des enveloppes externes 20, 28 et la dilatation des conduits et carter internes 18, 30, les enveloppes externes 20, 28 et les conduits et carter internes 18, 30 ayant des coefficients de dilatation différents, et étant en outre soumis simultanément à deux températures différentes. Par exemple, à une température normale d'environ 25°C, les conduits et carter internes 18, 30 ont une forme initiale. Lors de l'utilisation du turbo- collecteur d'échappement 10 dans un moteur à combustion interne, les conduits et carter internes 18, 30 sont susceptibles d'être déformés par rapport à leur forme initiale du fait qu'ils sont soumis à de fortes élévations de température par échange de chaleur avec les gaz d'échappement chauds, par exemple à 350°C. Par ailleurs, les enveloppes externes 20, 28 sont aussi susceptibles d'être chauffées par la chaleur qui rayonne des conduits et carter internes 18, 30 ou d'autres organes du compartiment moteur du véhicule. Les enveloppes externes 20, 28 se déforment d'une manière différente des conduits et carter internes 18, 30, notamment car les enveloppes externes 20, 28 ont une structure, une géométrie différentes de celles des conduits et carter internes 18, 30. De plus, la température à laquelle les enveloppes externes 20, 28 sont chauffée par rayonnement, est susceptible d'être inférieure à la température à laquelle les conduits et carter internes 18, 30 sont chauffés par les gaz d'échappement chauds. Ces dilatations différentielles sont absorbées par des portions annelées 26 ou soufflets des conduits internes 18 des tubulures 16. Un soufflet 26 est située sur chaque conduit interne 18 en aval des orifices amonts 12, et sur le conduit interne commun au niveau de l'orifice aval 14 avant la connexion avec le carter interne 30 de la turbine. Les soufflets des conduits internes 18 compensent alors les dilatations différentielles entre les enveloppes externes 20, 28 et les conduits et carter interne 18, 30, en absorbant les variations de dilatations. Avantageusement l'enveloppe externe 28 du turbocompresseur 8 est montée dans le prolongement de l'enveloppe externe 20 du collecteur 10 au niveau de l'orifice aval 14 par emmanchement permettant un coulissement entre les deux enveloppes absorbant aussi les dilatations différentielles du turbo-collecteur. e REVENDICATIONS 1. Organe d'échappement d'un moteur à combustion interne, intégrant un collecteur d'échappement (10) et un turbocompresseur (8), comprenant au moins une bride d'entrée (22) s'étendant autour d'au moins un orifice amont (12) d'entrée du collecteur (10) , un orifice aval (14) du collecteur, et des tubulures (16) reliant chaque orifice amont (12) à l'orifice aval (16) du collecteur d'échappement (10), l'orifice aval (16) étant l'entrée de la turbine du turbocompresseur (8), caractérisé en ce que le collecteur d'échappement comporte des conduits internes (18) d'échappement destinés à guider les gaz d'échappement et une première enveloppe externe (20) agencée autour du conduit interne d'échappement (18), , et en ce que le turbocompresseur (8) comporte un carter interne (30) destiné à guider les gaz d'échappement dans la turbine et une seconde enveloppe externe (28) agencée autour du carter interne (30), les conduit internes (18) et le carter interne (30) sont reliés ensemble ainsi que la première et la seconde enveloppe externe (20 et 28) de manière à définir un volume intermédiaire (24) d'isolation entre les conduits internes (18) et le carter interne (30) et la première et la seconde enveloppe externe (20 et 28) 2. Organe d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première enveloppe externe (20) et les conduits internes (18) sont liés l'un à l'autre au niveau de la bride (22) et des orifices amont (12). 3. Organe d'échappement selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde enveloppe externe (28) est montée dans le prolongement de la première enveloppe externe (20) au niveau de l'orifice aval (14) par emmanchement. 4. Organe d'échappement selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carter interne (30) est raccordé aux conduits internes (18) au niveau de l'orifice aval (14) par soudage. 5. Organe d'échappement selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits internes (18) comportent une portion annelée ou en forme de soufflet (26) située sur en aval de chaque orifice amont (12). 6. Organe d'échappement selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits internes (18) comportent une portion annelée ou en forme de soufflet (26) au niveau de l'orifice aval (14) en amont du raccord avec le carter interne (30). 7. Organe d'échappement selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois des conduits internes (18) sont réalisées en tôle.