Brevet FR2946086A1 — publié le 20101203

Collecteur d'échappement d'un moteur à combustion [0001] L'invention porte sur le domaine des moteurs à combustions suralimentés, et plus particulièrement sur les collecteurs d'échappement de tels moteurs. [0002] Il est connu de pourvoir réaliser le collecteur d'échappement d'un moteur à combustion de diverses façons. On peut notamment réaliser le collecteur en fonte, par divers procédés de fonderie. Il est également possible de réaliser le collecteur d'échappement en acier, par des techniques de tôlerie comme l'emboutissage puis le soudage des divers éléments constitutifs. [0003] Chacune des ces technologies présente des avantages et des inconvénients, l'une par rapport à l'autre, notamment lorsque l'on souhaite disposer un turbocompresseur à la sortie du collecteur. Des contraintes mécaniques ayant deux origines distinctes sont subies par le collecteur. [0004] D'une part le collecteur est soumis lors du fonctionnement du moteur à des températures élevées, et également à des variations de température parfois brutales pouvant entrainer des gradients de température importants. Cela entraine des phénomènes de dilatation et de dilatation différentielle pouvant générer des contraintes mécaniques importantes et une fatigue du matériau constitutif du collecteur, le collecteur étant rigidement fixé au moteur et au turbocompresseur. [0005] D'autre part, le collecteur est soumis lors du fonctionnement du moteur à une excitation vibratoire importante et variable. Ceci est d'autant plus problématique qu'un turbocompresseur monté à la sortie du collecteur présente une certaine masse, qui est donc montée en porte à faux vis-à-vis du moteur. [0006] Ces deux phénomènes peuvent entrainer diverses défaillances, telles des ruptures du collecteur ou des ruptures au niveau des brides de fixation entre le collecteur et le moteur, ou entre le collecteur et le turbocompresseur. [0007] Un collecteur en fonte est très rigide, ce qui permet un bon maintien du turbocompresseur monté à sa sortie, et apporte une bonne réponse aux problèmes d'excitation vibratoire du collecteur. Cependant, un tel collecteur présente une masse importante, et est problématique vis-à-vis des phénomènes des dilatations. L'ensemble constitué du collecteur et du turbocompresseur étant très rigide, il ne peut absorber les contraintes mécaniques provoquées par sa dilatation lorsqu'il est soumis à des hautes températures ou à des gradients de température importants. [0008] Pour résoudre le problème de la fatigue thermique, il a été proposé dans la demande de brevet JP8200060 un collecteur formé de plusieurs éléments en fonte présentant des résistances différentes à la fatigue thermique. Ainsi, les parties les plus contraintes sont-t-elles réalisés dans une nuance de fonte relativement résistantes aux contraintes thermiques, alors que les parties restantes sont dans une nuance de fonte moins résistante afin de réduire le coût global du collecteur. Un tel collecteur, totalement en fonte, est cependant très lourd. En outre, il constitue une réponse imparfaite au problème qu'il se propose de résoudre. La partie la plus contrainte est en effet dans un matériau plus résistant, mais il n'en demeure pas moins que l'ensemble du collecteur est constitué de fonte, matériau relativement rigide et cassant, quelle que soit la nuance concernée. Enfin, le collecteur proposé dans cette demande de brevet n'est pas particulièrement adapté à la fixation d'un turbocompresseur. [0009] Un collecteur en acier est beaucoup moins rigide qu'un collecteur en fonte. Il présente une masse moindre et une rigidité inférieure, permettant une meilleure tolérance à la dilatation. Cependant, cette moindre rigidité entraine une moindre capacité à absorber les contraintes vibratoires lors du fonctionnement du moteur. Par ailleurs, lorsqu'un collecteur en acier est utilisé, un support de turbocompresseur supplémentaire est nécessaire. Un tel support consiste généralement en un bras rigide reliant le turbocompresseur au carter cylindre ou éventuellement à la culasse du moteur. Cette pièce supplémentaire entraine un coût supplémentaire du seul fait de son existence et par l'ajout d'une opération de montage pour la mettre en place. [0010] Dans l'invention la solution à ces problèmes consiste en un collecteur de constitution particulière, par laquelle on découple la partie du collecteur venant se fixer au turbocompresseur du reste du collecteur. [0011] Plus précisément, l'invention porte sur un collecteur d'échappement d'un moteur à combustion comportant une première partie et une seconde partie respectivement destinées à être reliées à un premier et un second groupe d'un ou plusieurs cylindres du moteur, les deux parties étant reliées entre elles de sorte à présenter une sortie unique, caractérisé en ce que la première partie est en fonte et la seconde partie est en acier. Ainsi constitué, le collecteur présente une bonne résistance aux contraintes thermiques et vibratoires qu'il subi lors du fonctionnement du moteur. La masse totale du collecteur est sensiblement réduite par rapport à un collecteur totalement en fonte. La partie en fonte est en outre apte à porter des éléments présentant une masse non négligeable, comme un turbocompresseur. [0012] De préférence la première partie comporte la sortie unique du collecteur. C'est ainsi la partie en fonte qui pourra supporter les contraintes mécaniques liées à l'adaptation d'éléments du circuit d'échappement : turbocompresseur, sondes diverses, efforts sur le collecteur liés à la ligne d'échappement. [0013] Dans une variante de l'invention la sortie présente une bride de sortie pour la fixation d'un compresseur de turbocompresseur. Un turbocompresseur peut ainsi être fixé à la partie en fonte du collecteur, qui supportera les efforts liés à cette masse montée en porte-à-faux vis-à-vis du moteur. [0014] Dans une autre variante de l'invention, un carter de compresseur de turbocompresseur est directement formé à la sortie du collecteur. Cette disposition permet de simplifier l'architecture de la ligne d'échappement du moteur, et de limiter le nombre de pièces à produire. [0015] De préférence, la première partie du collecteur est conformée pour être reliée à un seul des cylindres du moteur. Ainsi, la première partie, constituée de fonte, représente-t-elle la plus faible part possible du collecteur, tout en permettant d'assurer un rôle de support d'un turbocompresseur ou de toute autre masse montée à l'échappement en porte à faux par rapport au moteur. [0016] Dans une variante, la première partie et la seconde partie sont reliées par un dispositif comportant deux brides, une première bride étant ménagée sur la première partie du collecteur et une seconde bride étant ménagée sur la seconde partie du collecteur. Cela constitue un moyen simple et bien maitrisé techniquement dans le domaine de la liaison d'éléments d'une ligne d'échappement. [0017] Dans une variante, la première partie et la seconde partie sont reliées par un raccord biconique. Un tel raccord garanti un montage précis et une bonne étanchéité entre les deux parties du collecteur. [0018] De préférence la fonte constitutive de la première partie et l'acier constitutif de la seconde partie présentent un coefficient de dilatation sensiblement égal. Par un choix judicieux des nuances des matériaux, on limite les contraintes liées à la dilation différentielle entre les deux parties du collecteur, et on garantit une bonne étanchéité entre les deux parties du collecteur. [0019] Dans une variante de l'invention, la première partie comporte un outre un bossage apte à recevoir une liaison mécanique supplémentaire entre la première partie 1 du collecteur et le moteur. Par ce dispositif simple, il est possible de garantir un maintien efficace des éventuelles masses portées par le collecteur, et plus particulièrement par la partie en fonte. La liaison mécanique en question peut être constituée d'un simple bras reliant le bloc moteur ou la culasse du moteur à la partie en fonte du collecteur, de sorte à assurer une reprise d'une part des efforts générés par une masse fixés à la sortie du collecteur. [0020] L'invention porte également sur un moteur comportant un turbocompresseur, dans lequel un collecteur selon l'invention forme le support unique du turbocompresseur. Ainsi, grâce à l'emploi d'un collecteur selon l'invention, il est possible de se passer d'un support de turbocompresseur spécifique. [0021] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système selon deux modes de réalisation. [0022] La figure 1 représente schématiquement et en trois dimensions un collecteur conforme à l'invention. [0023] La figure 2 représente schématiquement et en trois dimensions un collecteur conforme à l'invention, dans une variante intégrant le carter turbine du turbocompresseur. [0024] Sur la figure 1 est représenté schématiquement un collecteur d'échappement selon l'invention, et destiné à équipé un moteur à 4 cylindres. Le collecteur présente une première partie 1 en fonte, et une seconde partie 2 en acier. [0025] La première partie 1 permet de collecter les gaz d'échappement d'un cylindre, auquel elle est reliée par une première bride 11 via le conduit de culasse correspondant. La seconde partie 2 permet de collecter les gaz des trois cylindres restant, auxquels elle est reliée respectivement par une seconde bride 21, une troisième bride 22 et une quatrième bride 23. Les seconde, troisième et quatrième brides 21, 22, 23 sont indépendantes dans la variante ici représentée, mais pourraient être regroupées en une bride unique. [0026] Par ailleurs, selon diverses variantes de l'invention qui ne sont pas représentées, la première partie pourrait collecter les gaz d'échappement issus de plusieurs cylindres. Par exemple pour un moteur à 4 cylindres, la première partie pourrait se brancher sur deux ou trois conduits de culasse afin de collecter respectivement les gaz de deux ou trois cylindres du moteur, la seconde partie 2 du collecteur collectant les gaz issus des cylindres restant. [0027] La première partie 1 et la seconde partie 2 sont reliées entre elles de sorte que le collecteur présente une sortie 12 unique, autour de laquelle est conformée une bride de sortie 13, permettant la fixation du compresseur d'un turbocompresseur à la sortie 12 du collecteur. Ainsi, la deuxième partie 2 permet elle de connecter les conduits de culasse des cylindres auxquels elle est reliée à la première partie 1 du collecteur, dans laquelle est ménagée la sortie du collecteur sur laquelle pourra être fixé un turbocompresseur. [0028] Dans la variante ici représentée, la première partie 1 comporte en outre un bossage 14, pour la fixation d'un moyen de liaison mécanique supplémentaire entre la première partie 1 du collecteur et le moteur, s'il était nécessaire pour garantir un bon support du turbocompresseur fait de sa masse. Le turbocompresseur équipant le moteur est ainsi entièrement fixé à la première partie du collecteur, sans avoir à employer un support de turbocompresseur supplémentaire. [0029] La liaison entre la première partie 1 et la seconde partie 2 du collecteur peut être assurée par un dispositif comportant deux brides, une première bride 16 étant ménagée sur la première partie 1 du collecteur et une seconde bride 24 étant ménagée sur la seconde partie, brides entre lesquelles un joint peut être positionné pour garantir une parfaite étanchéité entre les deux parties du collecteur. D'autres modes de liaison sont envisageables, notamment un par un système biconique maintenu par un collier, ce système de fixation assurant en lui-même une bonne étanchéité. D'autres types de liaison sont envisageables, par exemple un emmanchement, une soudure, etc. [0030] La figure 2 présente un collecteur d'invention dans une variante intégrant le carter turbine du turbocompresseur. Dans cette variante, le carter compresseur d'un turbocompresseur est directement formé à la sortie 12 de la première partie 1 du collecteur. La seconde partie 2 du collecteur, ainsi que la liaison entre la première partie 1 et la seconde partie 2, peuvent être parfaitement identiques au premier mode de réalisation présenté en figure 1. [0031] Tout comme dans le premier mode de réalisation, la première partie 1 peut collecter les gaz issus de plusieurs cylindres, la seconde partie collectant les gaz des cylindres restant avant de permettre leur introduction dans la première partie 1 du collecteur, première partie présentant la sortie du collecteur, sortie sur laquelle est ici directement formé le carter compresseur d'un turbocompresseur. [0032] Dans la variante de l'invention présentée à la figure 2, le carter compresseur 15 du turbocompresseur peut être moulé avec la première partie 1 du collecteur, ou être rapporté et fixé par tout procédé adéquat d'assemblage de deux pièces en fonte, tel que le brasage ou le soudo-brasage. [0033] Selon la variante de l'invention réalisée, la géométrie de la seconde partie 2 du collecteur pourra prendre des formes variée. La seconde partie 2 pourra ainsi par exemple comporter, tel que représenté dans les modes de réalisation présentés en figure 1 et 2, un premier tube 201 permettant de collecter et les gaz issus de plusieurs cylindre, puis amener ces gaz jusqu'à la première partie 1 du collecteur par une tubulure 202 unique, ou, dans un autre mode de réalisation non représenté, se présenter sous la forme de multiples tubes chacun reliés à un conduit de culasse et se regroupant au niveau de la liaison avec la première partie 1 du collecteur. [0034] Ainsi, l'emploi d'un collecteur conforme à l'invention offre de nombreux avantages. La partie en fonte du collecteur offre un support suffisamment solide pour le maintien d'un turbocompresseur à sa sortie, et, du fait de sa grande rigidité, elle permet d'absorber efficacement les phénomènes vibratoires transmis au turbocompresseur lors du fonctionnement du moteur. La partie en acier, plus souple, n'est pas sollicitée par la masse du turbocompresseur qui est supporté par la partie en fonte du collecteur. Cette partie en acier, relativement souple, absorbera facilement les phénomènes de dilatation thermiques subis par le collecteur, notamment lorsque le moteur fonctionne à charge élevée. [0035] En outre, un collecteur selon l'invention permet un gain de masse non négligeable, du fait de la limitation de l'emploi de la fonte, et de la suppression dans la majorité des cas du support de compresseur généralement présent notamment dans les applications automobiles et liant mécaniquement le turbocompresseur au moteur. Le gain de masse obtenu sur un collecteur automobile classique est de l'ordre de 15%, sans compter le gain lié à la suppression du support de turbocompresseur. Revendications: 1. Collecteur d'échappement d'un moteur à combustion comportant une première partie (1) et une seconde partie (2) respectivement destinées à être reliées à un premier et un second groupe d'un ou plusieurs cylindres du moteur, les deux parties (1,2) étant reliées entre elles de sorte à présenter une sortie unique (12), caractérisé en ce que la première partie (1) est en fonte et la seconde partie (2) est en acier. 2. Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie comporte la sortie unique (12) du collecteur. 3. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie présente une bride de sortie (13) pour la fixation d'un compresseur de turbocompresseur. 4. Collecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un carter de compresseur (15) de turbocompresseur est directement formé à la sortie (13) du collecteur. 5. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première partie (1) est conformée pour être reliée à un seul des cylindres du moteur. 6. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première partie (1) et la seconde partie (2) sont reliées par un dispositif comportant deux brides (16,24), une première bride (16) étant ménagée sur la première partie (1) du collecteur et une seconde bride (24) étant ménagée sur la seconde partie (2) du collecteur. 7. Collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première partie (1) et la seconde partie (2) sont reliées par un raccord biconique. 8. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonte constitutive de la première partie (1) et l'acier constitutif de la seconde partie (2) présentent un coefficient de dilatation sensiblement égal. 9. Collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première partie (1) comporte un outre un bossage (14) apte à recevoir une liaison mécanique supplémentaire entre la première partie (1) du collecteur et le moteur. 10. Moteur comportant un turbocompresseur, caractérisé en ce qu'un collecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes forme le support unique du turbocompresseur.