Brevet FR2989729A1 — publié le 20131025

COLLECTEUR D'ECHAPPEMENT TWIN SCROLL POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE L'invention concerne les collecteurs d'échappement pour moteur à combustion interne et les turbo-collecteurs, 5 c'est-à-dire les turbocompresseurs intégrant une fonction de collectage des gaz d'échappement. Un collecteur d'échappement ou un turbo-collecteur est la première pièce qui compose une ligne d'échappement de 10 moteur à combustion interne. Un telle pièce est implantée à la sortie de la culasse du moteur. Elle a pour rôle principal d'assurer le transfert des gaz d'échappement issus de la culasse vers les éléments situés plus en aval de la face d'échappement (dans le sens d'écoulement des gaz) tels que le 15 turbocompresseur et les différents systèmes de dépollution du moteur (catalyseur d'oxydation, filtre à particules, piège à oxydes d'azote). Un collecteur d'échappement est de préférence moulé ou 20 mécano-soudé ; un turbo-collecteur est généralement moulé. Un collecteur d'échappement se présente, par exemple, sous la forme suivante, en particulier pour les moteurs Diesel : - Une bride d'entrée (monobloc ou en plusieurs parties 25 séparées), qui permet la fixation du collecteur sur la face d'échappement de la culasse, - Des conduits en nombre égal au nombre de cylindres du moteur, qui récoltent les gaz de chacune des chambres de combustion, 30 - Le cas échéant, un conduit de recirculation des gaz d'échappement, de diamètre plus faible, qui permet le retour d'une partie des gaz brûlés vers l'admission d'air du moteur, - Un corps central récoltant les gaz en provenance des conduits et les acheminant vers la sortie du collecteur, - Une bride de sortie, fixée à l'entrée du turbocompresseur. Un turbo-collecteur comporte, en plus des éléments précédents, une turbine et un compresseur reliés sur un même axe et permettant la compression de l'air grâce à l'entraînement de la turbine par les gaz d'échappement. Le collecteur d'échappement (ou le turbo-collecteur) est le plus souvent assemblé à la culasse au moyen d'un assemblage vissé qui solidarise la bride d'entrée avec la face d'échappement de la culasse. Un joint métallique est intercalé entre la culasse et la bride d'entrée du collecteur d'échappement pour assurer une meilleure étanchéité aux gaz. L'invention concerne les collecteurs d'échappement et les turbo-collecteurs ayant recours à une cloison de séparation au niveau de la jonction des différents conduits de manière à réunir les gaz provenant de plusieurs conduits. L'invention porte sur la conception de cette cloison 20 de séparation qui est soumise à des contraintes thermomécaniques importantes susceptibles de l'endommager. On connait, par exemple, des collecteurs d'échappement moulés, à 4 cylindres, présentant une architecture dite en « 2Y » : l'architecture en 2Y est obtenue en couplant deux à 25 deux les échappements les plus éloignés dans le cycle d'allumage du moteur. Par exemple, le couplage des cylindres 1 et 4 d'une part, et des cylindres 2 et 3 d'autre part , pour les moteurs à 4 cylindres dont l'allumage est de type 1342, permet de minimiser les problèmes d'interaction 30 aérodynamique cylindre à cylindre. La structure du collecteur se présente sous la forme de deux jonctions tubulaires en Y de premier niveau dont les sorties se rejoignent pour former une troisième jonction en Y intégrée en tout ou partie au collecteur (jonction en Y de second niveau). Cette technique facilite également la vidange des cylindres, donc leur remplissage, d'où un gain en couple moteur. Dans certains collecteurs en 2Y connus sous la dénomination anglaise « Twin Scroll » (c'est-à-dire : à spirales jumelles), la jonction effective au second niveau se fait juste à la sortie du collecteur. Une cloison de séparation des conduits de sortie des jonctions de premier niveau est généralement disposée dans le conduit de sortie du collecteur. Il a toutefois été observé des problèmes de fissuration, de perte d'étanchéité et de perte de matière au niveau de la cloison de séparation des conduits à la sortie du collecteur. Ces phénomènes sont essentiellement dus à l'impossibilité, pour la cloison de séparation, de se dilater librement quand elle atteint des températures proches de la température des gaz alors que le reste du collecteur est à une température beaucoup plus basse. Ce phénomène est amplifié sur les moteurs récents qui 20 dégagent une énergie thermique très élevée dans les gaz d'échappement. Les solutions proposées aujourd'hui pour résoudre ces problèmes de fissuration sont pénalisantes. Par exemple, 25 elles peuvent consister : - A réduire la température des gaz d'échappement, au détriment des performances du moteur ; ou - A fabriquer le collecteur dans un matériau plus résistant, au détriment du coût de fabrication. 30 On connaît aussi de la publication FR 2 875 266 ) une cloison de séparation visant à remédier au moins partiellement à ces inconvénients. Réalisée en acier austénitique, elle est montée dans un guide en U en acier inséré lors de la coulée du corps du collecteur. Toutefois cette solution oblige à réaliser la mise en forme en U par usinage de la rainure, ce qui est estimé à 6% du coût pour une pièce. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique précités, en proposant une solution robuste, efficace et économique. La 10 présente invention porte sur des modifications géométriques de la cloison, afin de diminuer les contraintes thermomécaniques dans cette pièce et d'éviter la fissuration. L'invention consiste à amoindrir, voire éliminer, ce problème thermomécanique en concevant une cloison de 15 séparation en plusieurs parties, de manière à lui permettre de se dilater plus librement. A cet effet est proposé, suivant un premier aspect de l'invention, un collecteur d'échappement pour moteur à combustion interne, le collecteur comportant un corps central 20 apte à récolter des gaz d'échappement en provenance d'au moins deux conduits, le corps central présentant au moins deux orifices d'entrée, chaque orifice étant apte à être relié à un des conduits, et ledit corps comprenant une cloison entre au moins deux des orifices d'entrée, la cloison 25 présentant une longueur Lc, et la cloison du corps central du collecteur est composée d'au moins deux parties, chaque partie présentant au moins une face latérale, et au moins une portion d'une face latérale d'une des parties étant en vis-à-vis d'au moins une portion d'une face latérale d'une autre 30 partie, chacune des parties présentant au moins un bord libre selon la longueur Lc, et deux des parties comprenant un bord d'attache, opposé à leur bord libre, solidaire du corps central. Cette solution permet de soulager la cloison des contraintes mécaniques d'origine thermique, du fait qu'elle a la possibilité de se dilater librement. Elle permet également de faire fonctionner le moteur à des températures plus élevées, c'est-à-dire avec des performances augmentées. On entend par bord libre « selon la longueur Lc » que le bord constitue une extrémité de la cloison selon la longueur de la cloison. De plus, on entend par « libre » que le bord considéré 10 est distant de tout autre élément, selon la longueur, de sorte à pouvoir se déformer sans engendrer de contrainte. Dans un mode préférentiel de réalisation, la cloison comprend deux parties. Sa fabrication est aisée. La cloison peut aussi être composée de trois parties 15 ou plus. Dans ce cas, les parties extrêmes sont solidaires du corps central par un de leurs bords, le bord opposé étant libre selon la longueur. Dans ce cas, les parties extrêmes reliées au corps central ne se chevauchent pas l'une l'autre. Si la cloison comporte trois parties, par exemple, alors la 20 troisième partie chevauche à la fois les deux parties extrêmes, et ses deux bords selon la longueur sont libres. Cette troisième partie n'est alors de préférence solidaire du corps du collecteur que par sa racine, solidaire du fond du corps. 25 Tous les agencements de parties les unes par rapport aux autres sont possibles tant que chaque partie présente au moins une portion en vis-à-vis d'une portion d'une autre partie. Avantageusement, toutes les parties constituant la 30 cloison sont au moins solidaires du corps par leur racine de façon à favoriser l'écoulement des gaz. Avantageusement, le corps central forme une jonction dans le cas où plusieurs conduits se rejoignent au niveau du collecteur. C'est par exemple le cas pour les collecteurs en 2Y. Le corps central du collecteur peut présenter tout 5 type de géométrie. Toutefois, une forme de bol est particulièrement favorable à l'écoulement des gaz. Selon un mode avantageux de réalisation, au moins une des parties de la cloison présente un profil aérodynamique de 10 type « Joukovski », c'est-à-dire que le profil est de section décroissante d'amont en aval (selon le sens d'écoulement des gaz) pour permettre d'éviter toutes les pertes de charge et favoriser les pressions de contact entre les parties de la cloison se chevauchant. 15 Chacune des parties de la cloison présente une longueur Lp, et la portion de la face latérale de chacune des parties présente une longueur Lv inférieure à la longueur Lp de ladite partie, par exemple inférieure à 30% de la longueur Lp de façon à conserver une section de passage des gaz 20 suffisante. Les longueurs Lp de chaque partie peuvent être toutes égales, ou différentes l'une de l'autre, selon que l'on cherche à optimiser le coût de réalisation ou le niveau des contraintes dans la cloison. 25 L'épaisseur des différentes parties de la cloison et le jeu à température ambiante entre les parties qui se chevauchent est optimisé, en fonction de la plage de températures d'utilisation, afin qu'à la température des gaz, la pression entre les pièces qui se chevauchent soit suffisante pour 30 assurer l'étanchéité aux gaz tout en engendrant des contraintes d'un niveau acceptable sur les bords non libres. La cloison peut être entièrement ou partiellement réalisée dans le même matériau que le reste de la pièce, ou bien elle peut être issue d'un insert composé d'une matière différente mais susceptible de se lier au reste de la pièce et suffisamment résistante à la température des gaz. Selon un mode de réalisation, le collecteur est un collecteur de type Twin Scroll. En effet, les collecteurs de type Twin Scroll sont particulièrement bien adaptés pour être associés à un turbocompresseur. Selon un autre mode de réalisation, le collecteur comprend en 15 outre une turbine et un compresseur reliés sur un même axe constituant ainsi un turbo-collecteur. La présente invention vise aussi un procédé de réalisation d'un collecteur tel que défini précédemment. De 20 préférence, on moule le collecteur d'une seule pièce au moyen de plusieurs noyaux de sable du collecteur. En effet, cette solution technique est d'autant plus avantageuse pour des collecteurs d'échappement et des turbo-collecteurs de fonderie, puisqu'il n'est pas 25 nécessaire de l'usiner ultérieurement. Une telle structure de collecteur permet ainsi une réalisation par moulage seulement, ce qui rend sa production très économique. 30 La présente invention vise enfin un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne présentant plusieurs cylindres, ainsi qu'un collecteur tel que défini précédemment. Avantageusement, le moteur à combustion interne du véhicule comprend un nombre pair de cylindres, par exemple quatre cylindres. A chacun des cylindres est relié en sortie un conduit. Les quatre conduits sont avantageusement reliés indépendamment à un orifice d'entrée du collecteur, de sorte que les jonctions dites en 2Y se font dans le corps du collecteur. L'invention, selon un mode préférentiel de réalisation, sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, à titre indicatif et nullement limitatif, et en référence à la figure annexée présentée ci-après, représentant un collecteur selon l'invention. Un collecteur d'échappement 1, pour moteur à combustion interne, comporte un corps central 2 apte à récolter des gaz d'échappement par l'intermédiaire de 20 conduits reliés aux chambres de combustion du moteur. Le corps central 2 présente quatre orifices d'entrée 3, chaque orifice 3 étant apte à être relié à un des conduits dans le cas d'un moteur à quatre cylindres. 25 Le corps 2 comprend en outre une cloison 4, présentant une longueur Lc, positionnée de sorte que deux des orifices d'entrée 3 se trouvent d'un côté de la cloison 4, et les deux autres orifices d'entrée 3 se retrouvent de l'autre côté de la cloison 4. 30 La cloison 4 du corps central 2 du collecteur 1 est composée de deux parties (5, 6). Chaque partie (5, 6) présente une face latérale (resp. 51, 61). La face latérale 51 de la première partie 5 de la cloison 4 présente une portion 52 en vis-à-vis d'une portion 5 62 de la face latérale 61 de la deuxième partie 6. Chacune des parties (5, 6) présente en outre un bord libre (53, 63) selon la longueur Lc, et chaque partie (5, 6) est solidaire du corps central 2 par un bord d'attache (54, 64), opposé à leur bord libre (53, 63). 10 Chaque partie (5, 6) est solidaire ou non du corps central 2 par sa racine (55, 65). Ainsi, si la cloison 4 était constituée de trois parties, deux des parties seraient par exemple reliées par un bord et leur racine et présenteraient un bord libre, et la 15 troisième partie serait reliée par sa racine et présenterait deux bords libres selon la longueur de la cloison 4. Les parties de la cloison sont profilées d'un point de vue aérodynamique selon un profil dit de « Joukovski », c'est-à-dire de section décroissante d'amont en aval selon le 20 sens d'écoulement des gaz pour permettre de limiter les pertes de charge. Dans le présent exemple de réalisation, les faces latérales (51, 61), présentant des portions (52, 62) en vis-à-vis, sont planes et forment un angle obtus avec leur bord 25 libre (53, 63). Les faces latérales (56, 66) opposées aux faces latérales (51, 61) forment quant à elles un arrondi avec les bords libres (53, 63) afin de faciliter l'écoulement de gaz. Le corps central 2 a une forme de bol. Ainsi, les 30 bords d'attache (54, 64), par lesquels les parties (5, 6) de la cloison 4 sont reliées au corps 2, sont dans la continuité des racines (resp. 55, 65) des parties (5, 6). On entend alors par bord « opposé » au bord libre, par exemple, une zone du bord formé par la continuité de la racine et du bord d'attache le plus proche de la sortie du collecteur, et par racine la zone proche de l'autre extrémité de ce bord formé par la racine et le bord d'attache. Le collecteur 1 présente aussi une bride de sortie 7 permettant de fixer le collecteur 1 à l'entrée d'un turbocompresseur par exemple (non représenté). Pour cela, des trous 8 formés dans la bride 7 peuvent coopérer avec des pions de centrage, ou peuvent recevoir des vis pour fixer le collecteur au turbocompresseur par exemple. Les surfaces (57, 67) et la surface 71 de la bride 7 sont avantageusement coplanaires. REVENDICATIONS1. Collecteur d'échappement (1) pour moteur à combustion interne, le collecteur (1) comportant un corps central (2) apte à récolter des gaz d'échappement en provenance d'au moins deux conduits, le corps central (2) présentant au moins deux orifices d'entrée (3), chaque orifice (3) étant apte à être relié à un des conduits, et ledit corps (2) comprenant une cloison (4) entre au moins deux des orifices d'entrée (3), la cloison (4) présentant une longueur Lc, caractérisé en ce que la cloison (4) du corps central (2) du collecteur (1) est composée d'au moins deux parties (5, 6), chaque partie (5, 6) présentant au moins une face latérale (51, 61), et au moins une portion (52) d'une face latérale (51) d'une première partie (5) étant en vis-à-vis d'au moins une portion (62) d'une face latérale (61) d'une deuxième partie (6), chacune des parties (5, 6) présentant au moins un bord libre (53, 63) selon la longueur Lc, et deux des parties (5, 6) comprenant un bord d'attache (54, 64), opposé à leur bord libre (53, 63), solidaire du corps central (2). 2. Collecteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en qu'au moins une des parties (5, 6) de la 25 cloison présente un profil aérodynamique de type « Joukovski ». 3. Collecteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chacune de 30 parties (5, 6) de la cloison (4) présente une longueur Lp et la portion (52, 62) de la face latérale (51, 61) de chacune des parties (5, 6) présente une longueur Lv inférieure à lalongueur Lp de ladite partie, de façon à conserver une section de passage des gaz suffisante. 4. Collecteur (1) selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau de la cloison (4) est le même que celui du reste du collecteur (1). 5. Collecteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le collecteur (1) 10 est un collecteur de type Twin Scroll. 6. Collecteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une turbine et un compresseur reliés sur un même axe 15 constituant ainsi un turbo-collecteur. 7. Procédé de réalisation d'un collecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on moule le collecteur (1) d'une seule pièce au moyen de 20 plusieurs noyaux de sable. 8. Procédé de réalisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la réalisation de la séparation entre 25 les parties de la cloison est assurée à l'aide d'un insert. 9. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne présentant quatre à douze cylindres, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un collecteur (1) 30 selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le collecteur (1) comprenant quatre orifices d'entrée situés deux à deux de part et d'autre de la cloison (4).