Brevet FR2942846A1 — publié le 20100910

SOUS-ENSEMBLE D'ECHAPPEMENT La présente invention se rapporte à un sous-ensemble d'échappement comprenant un collecteur d'échappement relié à un carter de turbocompresseur. Dans les moteurs à combustion interne à cylindres multiples, les gaz d'échappement des cylindres individuels sont rassemblés dans des systèmes collecteurs de gaz d'échappement. L'état de la technique connu englobe, à cette fin, des collecteurs d'échappement et des structures de turbocompresseurs venues de coulée, qui sont de réalisation monobloc afin de faire l'économie des coûts générés par un boulonnage (DE-T2-699 27 233). Il est alors tenu compte de la nécessité impérative d'utiliser, pour le collecteur d'échappement et le turbocompresseur, le même matériau se présentant, fréquemment, comme un acier fin fortement allié. Etant donné que le choix du matériau est toujours tributaire de la zone la plus faible, dans l'ensemble du module, cela constitue un facteur pécuniaire considérable. Un autre inconvénient, obérant les modules de collecteurs-turbocompresseurs venus de coulée, réside dans le poids total élevé, du fait qu'il n'est pas possible de réduire certaines épaisseurs de parois minimales, dans des structures obtenues par coulée, à l'inverse de structures en tôle. Dans d'autres réalisations connues, des collecteurs d'échappement et des carters de turbocompresseurs sont conçus en plusieurs parties, puis solidarisés par soudage à un stade ultérieur (DE-A1-10 2004 009 109). Le collecteur d'échappement est alors fréquemment réalisé comme un collecteur isolé par des espaces interstitiels. Cela autorise une économie pondérale et un abaissement des coûts de matière engendrés par un sous-ensemble d'échappement. La zone du joint soudé, entre le collecteur d'échappement et le carter, représente toutefois une région à faible robustesse d'un point de vue thermomécanique. Par conséquent, en se fondant sur l'art antérieur, l'invention a pour objet de fournir un sous-ensemble d'échappement composé d'un collecteur d'échappement et d'un turbocompresseur et offrant, outre un poids modeste, une grande robustesse thermomécanique et une haute rigidité. L'aspect crucial de l'invention réside dans la liaison instaurée, dans un sous-ensemble d'échappement, entre un carter de turbocompresseur et un collecteur d'échappement. A cet effet, conformément à l'invention, ledit carter présente un collecteur tubulaire qui s'étend en direction dudit collecteur d'échappement, et auquel des tubulures d'échappement dudit collecteur d'échappement peuvent être raccordées, en une étape de production distincte. Dans ce cas, ledit carter et ledit collecteur tubulaire sont réalisés sous la forme d'une pièce commune produite par coulée, ledit collecteur tubulaire étant matérialisé par une région dudit carter qui s'étend en direction du collecteur d'échappement. Ainsi, ledit collecteur tubulaire doit être fonctionnellement dédié audit collecteur d'échappement, concrètement au turbocompresseur. Un tel agencement structurel autorise, d'une part, un regroupement compact et économique des flux de gaz d'échappement des cylindres individuels, avec écoulement optimalisé ; et permet d'autre part d'obtenir, en ménageant par exemple une zone aplatie, un rattachement de la coque extérieure qui soit 1 o techniquement propice en termes de production et réponde, dans le même temps, à de hautes exigences en matière de robustesse. En résumé, cela procure les avantages suivants : poids réduit ; conception techniquement favorable à l'écoulement ; compacité ; robustesse et rigidité à la flexion améliorées ; mesures de protection thermique réduites, du fait de l'isolation 15 par espaces interstitiels ; avantages relatifs au montage et à la logistique, conférés par la suppression de la zone de séparation et d'étanchéité, ce qui gouverne une optimalisation des coûts. Les pièces structurelles du collecteur d'échappement, qui sont raccordées au collecteur tubulaire, sont respectivement constituées de tubes intérieurs et de 20 coques extérieures dédiés à l'isolation par espaces interstitiels. Dans la zone de liaison entre ledit collecteur d'échappement et le carter de turbocompresseur, ledit collecteur tubulaire comporte des orifices de raccordement dévolus à la réception des tubulures d'échappement. La liaison entre le tube intérieur considéré et l'orifice de raccordement correspondant est alors établie, de préférence, par l'intermédiaire d'un 25 siège coulissant. Conformément à l'invention, les coques extérieures sont prolongées au-delà des extrémités, situées côté turbocompresseur, des tubes intérieurs acheminant les gaz ; et sont soudées au carter de turbocompresseur pour créer un ensemble unitaire étanche aux gaz, de façon telle qu'à la fois les sièges coulissants entre lesdits 30 tubes intérieurs et les orifices de raccordement du collecteur tubulaire, et ledit collecteur tubulaire proprement dit, soient ceinturés par lesdites coques extérieures en étant, de la sorte, isolés par des espaces interstitiels. En conséquence, la présence d'une isolation par espaces interstitiels autorise une réduction des mesures de protection thermique dans la région du 35 collecteur d'échappement. Un matériau économique, à faibles épaisseurs de parois, peut être avantageusement employé pour constituer la coque extérieure du collecteur d'échappement, d'où la possibilité de réduire le poids total du sous-ensemble d'échappement, de même que les coûts. En outre, la liaison par sièges coulissants entre les tubes intérieurs des tubulures d'échappement et le collecteur tubulaire, ainsi que l'enveloppement de ladite liaison par les coques extérieures, dispensent de la solidarisation soudée entre lesdites tubulures et ledit collecteur tubulaire, si bien qu'une liaison à tensions particulièrement faibles peut être concrètement obtenue dans ce cas. Grâce à l'imbrication mutuelle du carter de turbocompresseur et du collecteur d'échappement, rendue possible par le collecteur tubulaire, la rigidité dudit carter, venu de coulée, est transmise audit collecteur d'échappement. Le joint de soudure entre les coques extérieures dudit collecteur d'échappement et les orifices de raccordement dudit carter, représentant normalement une zone de faiblesse, ne se trouve plus dans la région de la liaison directe, mais est décalé axialement vis-à-vis du siège coulissant et, par conséquent, desdits orifices de raccordement. Simultanément, lesdites coques assurent déjà l'isolation par espaces interstitiels d'une partie du carter, c'est-à-dire du collecteur tubulaire. Dans un autre agencement structurel avantageux, le carter de turbocompresseur est muni d'une zone aplatie du type bride. Par le biais de cette zone, il est possible d'opérer un rattachement soudé à une bride de culasse disposée côté moteur, sur les tubulures d'échappement, et reliée aux cylindres dudit moteur. Ce rattachement fournit une contribution supplémentaire à la grande rigidité du groupe structurel à la flexion. De la sorte également, la zone de liaison entre la coque extérieure du collecteur d'échappement et le carter de turbocompresseur peut être reléguée loin de la zone acheminant les gaz, si bien que la robustesse thermomécanique peut être améliorée davantage encore dans la région critique du joint soudé. Ainsi, ladite zone aplatie destinée au rattachement à ladite coque extérieure fait corps avec ledit carter. Le collecteur tubulaire est, de préférence, relié à la bride de culasse par l'intermédiaire d'une liaison soudée située à distance de la zone aplatie. La zone aplatie peut être ménagée, de préférence, dans la zone de transition entre le carter de turbocompresseur et le collecteur tubulaire, ladite zone aplatie étant soudée à la bride de culasse. De ce fait, le sous-ensemble d'échappement conforme à l'invention conjugue les avantages d'une rigidité et d'une robustesse thermomécanique élevées, procurés par la réalisation monobloc du collecteur d'échappement et du carter de turbocompresseur, venue de coulée ; et les avantages conférés par le poids plus modeste et par les moindres coûts de la forme de réalisation en deux parties comprenant un collecteur d'échappement et un carter de turbocompresseur produit par coulée, isolés par des espaces interstitiels. La réalisation du collecteur tubulaire en tant que pièce venue de coulée permet d'obtenir concrètement, de surcroît, différentes variantes techniques en termes d'écoulement. Par exemple, l'une de ces variantes consiste à concevoir ledit collecteur tubulaire de façon telle que deux écoulements affluent vers la roue de turbine. Ledit collecteur tubulaire est scindé à cet effet, dans sa direction longitudinale, en deux canaux ou arrivées séparé(e)s l'un(e) de l'autre avec étanchéité aux gaz. Les gaz émanant des tubulures d'échappement des cylindres 1 et 4 du collecteur d'échappement d'un moteur à quatre cylindres peuvent alors, par exemple, être dirigés vers ladite roue de turbine distinctement des gaz provenant des tubulures d'échappement des cylindres 2 et 3. L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre un sous-ensemble d'échappement avec un carter de turbocompresseur et un collecteur d'échappement, seules étant illustrées des parties intérieures dudit collecteur d'échappement (des coques extérieures ne sont pas représentées) ; la figure 2 est une illustration correspondant à la figure 1, montrant les coques extérieures de la partie supérieure du collecteur d'échappement ; la figure 3 est une perspective par-derrière correspondant à la figure 2 ; et la figure 4 est une représentation schématique d'un autre exemple de réalisation. La figure 1 illustre un sous-ensemble d'échappement 1 comportant un collecteur d'échappement 2 d'un moteur à plusieurs cylindres, qui est relié au carter 3 d'un turbocompresseur 4. Le carter 3 du turbocompresseur est muni, dans le présent cas, d'un collecteur tubulaire 5 regroupant des tubulures d'échappement 6 du collecteur d'échappement 2, isolées par des espaces interstitiels. Ledit collecteur tubulaire 5 est alors matérialisé par une région prolongée dudit carter 3, et comporte quatre orifices de raccordement 7 conçus pour recevoir des tubes intérieurs 8 de tubulures d'échappement 6. La liaison entre lesdits tubes intérieurs 8 et ledit collecteur tubulaire 5 s'opère dans lesdits orifices de raccordement 7, par l'intermédiaire de sièges coulissants non illustrés en détail. Une zone aplatie 10, du type bride, est agencée sur la périphérie 9 du carter 3 du turbocompresseur. Par l'intermédiaire de cette zone 10, ledit carter 3 peut être rapporté par soudage sur une bride 11 de culasse. La figure 2 montre le collecteur d'échappement 2 présentant une coque extérieure 12 supérieure et un espace interstitiel 13 entre les tubes intérieurs 8 et ladite coque extérieure 12, ainsi qu'entre le collecteur tubulaire 5 et ladite coque 12. Tant lesdits tubes 8, que ledit collecteur tubulaire 5, sont alors totalement enfermés, en partie haute, dans la coque extérieure 12 occupant une position supérieure. La figure 3 illustre également une seconde coque extérieure 14 inférieure qui, en association avec la première coque extérieure 12, ceinture intégralement tant les tubulures d'échappement 6, que le collecteur tubulaire 5 ; et assure de la sorte, semblablement, l'isolation intégrale dudit collecteur 5 grâce à des espaces interstitiels. La coque extérieure 14 est soudée au carter 3 de turbocompresseur dans la région de la zone aplatie 10. Le rattachement du carter 3 de turbocompresseur, à la bride 11 de culasse, a lieu au moyen d'une liaison soudée. Un joint de soudure 15 est interposé entre une surface 16 de la zone aplatie 10, tournée vers les tubulures d'échappement 6, et une surface 17 de ladite bride 11 qui pointe vers le collecteur tubulaire 5. Cela accroît additionnellement la rigidité du sous-ensemble d'échappement 1. La figure 4 est une représentation, fortement simplifiée, d'un carter 3 de turbocompresseur associé à un collecteur tubulaire 5, les deux éléments structurels formant partie intégrante d'une pièce commune venue de coulée. Dans cette forme de réalisation, le collecteur 5 est soudé à la bride 11 de culasse à l'aide d'une liaison soudée supplémentaire 18, au niveau d'une zone 19 d'amorce de coulée dudit collecteur 5. Ladite zone d'amorce se trouve à distance de la zone aplatie 10. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au sous-ensemble décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. Liste des références numériques 1 sous-ensemble d'échappement 2 collecteur d'échappement 3 carter de turbocompresseur 4 turbocompresseur 5 collecteur tubulaire 6 tubulure d'échappement 7 orifice de raccordement 8 tube intérieur 9 face périphérique du carter 10 zone aplatie du carter 11 bride de culasse 12 coque extérieure supérieure 13 espace interstitiel 14 coque extérieure inférieure 15 joint de soudure 16 surface de la zone aplatie 17 surface de la bride 18 liaison soudée 19 zone d'amorce de coulée du collecteur tubulaire15 REVENDICATIONS- 1. Sous-ensemble d'échappement comprenant un collecteur d'échappement (2) relié à un carter (3) de turbocompresseur, sous-ensemble caractérisé par le fait que ledit carter (3) présente un collecteur tubulaire (5) qui s'étend en direction dudit collecteur d'échappement (2), et auquel des tubulures d'échappement (6) dudit collecteur d'échappement (2) peuvent être raccordées. 2. Sous-ensemble d'échappement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le carter (3) de turbocompresseur, et le collecteur tubulaire (5), sont constitués d'une pièce commune venue de coulée. 3. Sous-ensemble d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le collecteur d'échappement (2) est isolé par des espaces interstitiels. 4. Sous-ensemble d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le collecteur tubulaire (5) est isolé par des espaces interstitiels. 5. Sous-ensemble d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que des tubes intérieurs (8) des tubulures d'échappement (6) sont reliés au collecteur tubulaire (5) par l'intermédiaire d'un siège coulissant. 6. Sous-ensemble d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que des coques extérieures (12, 14) du collecteur d'échappement (2) ceinturent le collecteur tubulaire (5). 7. Sous-ensemble d'échappement selon la revendication 6, caractérisé par 25 le fait que les coques extérieures (12, 14) du collecteur d'échappement (2) sont soudées au carter (3) de turbocompresseur. 8. Sous-ensemble d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le collecteur tubulaire (5) est scindé, dans la direction longitudinale, en deux arrivées séparées l'une de l'autre de manière 30 étanche aux gaz. 9. Sous-ensemble d'échappement selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé par le fait qu'une zone aplatie (10) est façonnée, sur le carter (3) de turbocompresseur, en vue de la liaison avec la coque extérieure (12 14). 10. Sous-ensemble d'échappement selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le collecteur tubulaire (5) est relié à une bride (11) de culasse par l'intermédiaire d'une liaison soudée (18) située à distance de la zone aplatie (10). 11. Sous-ensemble d'échappement selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que la zone aplatie (10) est ménagée dans la zone de transition entre le carter (3) de turbocompresseur et le collecteur tubulaire (5), ladite zone aplatie (10) étant soudée à la bride (11) de culasse.