Brevet FR3036133A1 — publié le 20161118

COLLECTEUR D'ECHAPPEMENT [0001 ] La présente invention concerne un collecteur d'échappement, notamment à diffusion thermique pour moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile mais également d'autres véhicules (par exemple deux ou trois roues) ou dans d'autres domaines (scooters nautiques, motoneiges, engins industriels, etc.). [0002] Classiquement, un tel collecteur d'échappement est destiné à être inséré à la sortie de la culasse d'un moteur thermique à combustion interne d'un véhicule automobile. Le collecteur d'échappement forme ainsi un premier équipement de la ligne d'échappement des gaz du véhicule. Cette ligne d'échappement des gaz comprend ensuite, en aval du collecteur dans le sens d'évacuation des gaz, un ou plusieurs appareils d'exploitation et/ou de traitement de ces gaz, par exemple un turbocompresseur et un catalyseur. [0003] Lorsque le moteur est en marche, le collecteur d'échappement est soumis à de fortes contraintes thermiques et mécaniques car, en plus des flux des gaz d'échappement à haute température, il est agencé entre des équipements dont les températures sont fortement différenciées. En effet, au niveau de la face de la bride amont du collecteur en contact avec la culasse du moteur, le collecteur présente une température externe - dite température de peau - de l'ordre de 250°C du fait que le moteur et la culasse sont constamment refroidis en fonctionnement. Par contraste, au niveau de la face de la bride aval du collecteur en contact avec la partie d'échappement, la température de peau du collecteur atteint des valeurs très supérieures, de l'ordre de 800°C. [0004] Cette disparité de température entre les deux faces extrêmes du collecteur d'échappement risque d'induire des fissures dans le collecteur, le risque étant sensiblement augmenté du fait de la structure et de la taille réduite des collecteurs, par exemple selon une longueur de l'ordre de 15 cm. En effet, les collecteurs sont constitués d'autant de tubulures d'échappement des gaz que de cylindres du moteur d'où proviennent ces gaz, et ces tubulures sont assemblées 3036133 2 entre elles pour former une sortie d'échappement unique et pour rigidifier l'ensemble par des moyens de liaison, panneaux, plaques ou bras, formant des raccordements entre les tubulures. Ces assemblages présentent alors des zones de forte courbure, appelées singularités géométriques, en particulier des arches, 5 des coudes ou des équerres. Dans ces conditions, sous l'effet des gradients de température importants, des concentrations de contraintes apparaissent localement au niveau des singularités géométriques, induisant un risque élevé de formation de fissures dans ces zones. [0005] Pour diminuer ce risque, une approche connue est illustrée dans le 10 document de brevet FR2816003. Cette approche consiste à utiliser des tubulures à double paroi pour isoler thermiquement les gaz traversant le collecteur, ce qui permet d'homogénéiser la température des gaz. Cependant, cette solution impose de modifier totalement la structure des collecteurs conventionnels, ce qui implique l'installation de nouveaux équipements de fabrication et rend la fabrication plus 15 complexe. [0006]Une autre solution, présentée dans le document de brevet FR2849470, propose de rajouter au collecteur une pièce en forme de « L » entre la bride amont et la bride aval. Cette pièce permet alors, par conduction, de maintenir relativement basse la température de la bride aval, par rapport à la 20 température des gaz d'échappement. Mais cette solution ne permet pas non plus d'utiliser un collecteur de construction classique. [0007]Une autre voie est proposée par le document de brevet EP2146069. Dans ce document, un écran récepteur de chaleur en aluminium recouvre à distance le collecteur d'échappement et diffuse la chaleur reçue par 25 rayonnement en fonction de la position de cet écran face au collecteur. Cet écran récepteur de chaleur est relativement peu isolant face aux parties chaudes du collecteur, mais relativement bon isolant face aux parties froides du collecteur. Cependant cet écran récepteur de chaleur en aluminium ne parvient pas à homogénéiser les températures du collecteur dans les parties localisées peu 30 accessibles par rayonnement, comme par exemple la zone froide de la bride en contact avec la culasse. De plus, la mise en oeuvre de pièce en aluminium est 3036133 3 coûteuse dans le cadre de la fabrication de pièces destinées à l'équipement automobile. [0008]Afin de prévenir de façon efficace et à moindre coût les risques de fissures d'un collecteur d'échappement conventionnel sans reconsidérer sa 5 structure de base, l'invention propose de répartir la chaleur concentrée autour des singularités de ce collecteur par un support de transfert thermique adapté. [0009] Plus précisément, la présente invention a pour objet un collecteur d'échappement destiné à un moteur à combustion interne, le collecteur comportant des conduits présentant d'un côté des extrémités respectivement en 10 liaison avec des cylindres du moteur et d'un autre côté une extrémité unique d'échappement des gaz. Les conduits forment des courbures et/ou sont assemblés par des moyens de liaison présentant au moins une singularité géométrique. Dans ce collecteur d'échappement, au moins un pont thermique est solidarisé respectivement à au moins un conduit à proximité immédiate d'une (de 15 la) singularité géométrique. [0010] On entend par « singularité géométrique » les zones de courbure des conduits ou les jonctions formées par les liaisons entre les conduits, par exemple des arches de raccordement. [0011]Un tel pont thermique permet alors de répartir de manière plus 20 homogène la chaleur dégagée entre les brides et de limiter ainsi les efforts thermomécaniques que subissait le collecteur du fait des forts gradients de température, en particulier dans les zones fragiles formées par les singularités. [0012]Selon des modes de réalisation préférés, le collecteur d'échappement possède les caractéristiques suivantes : 25 - le collecteur comportant au moins un raccordement de rigidification entre deux conduits, le ou chaque pont thermique s'étend de part et d'autre du (d'un) raccordement de rigidification formant ladite singularité géométrique; - le ou chaque pont thermique est solidarisé au conduit correspondant à l'aide d'au moins deux fixations localisées en extrémité du pont thermique; 30 - le ou chaque pont thermique est constitué d'une barrette rigide en alliage métallique ; 3036133 4 - alternativement, le ou chaque pont thermique comporte un lien souple à base d'alliage métallique, en particulier au moins une tresse ou une bande métallique ; - le métal de l'alliage est de préférence du cuivre ou à base de cuivre; 5 - la fixation du pont thermique sur le conduit peut être réalisée au choix entre rivetage, vissage, collage, bridage et soudage ; - une pâte de conduction thermique est avantageusement insérée entre le pont thermique et le conduit, pour former des plages de contact continues avec ladite pâte et optimiser ainsi la conduction thermique entre le pont thermique et le 10 conduit; [0013] L'invention se rapporte également à une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne et comportant le collecteur d'échappement défini ci-dessus, ainsi qu'un véhicule automobile équipé d'une telle ligne d'échappement. [0014]D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente 15 invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée uniquement à titre de mise en oeuvre non limitative, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement : - la figure 1, une vue en perspective d'un conduit de collecteur d'échappement selon l'invention équipé d'un exemple de pont thermique constitué 20 d'une barrette de métal fixée par des vis au conduit; - la figure 2, une vue en coupe selon le plan transversal P de la figure 1 montrant en particulier la fixation de la barrette de métal sur le conduit; - la figure 3, un schéma en vue supérieure globale d'un autre exemple de collecteur d'échappement équipé d'une barrette fixée le long d'un des conduits 25 courbes du collecteur, au regard d'une portion d'arche de raccordement entre deux conduits; - la figure 4, une modélisation de la conduction des flux thermiques dans la paroi d'un conduit du collecteur sans pont thermique par un schéma électrique énergiquement équivalent; 30 - la figure 5, une modélisation de la conduction des flux thermiques dans la paroi d'un conduit du collecteur équipé d'un exemple de pont thermique selon l'invention par un schéma électrique énergiquement équivalent, et 3036133 5 - la figure 6, une représentation graphique de l'effet de la présence d'un pont thermique dans un collecteur d'échappement sur le gradient de température formé à proximité d'une singularité géométrique. [0015]Sur les différentes figures, des éléments ou parties d'éléments 5 identiques portent une même référence. La description d'un même élément représenté dans différentes figures est renvoyée au passage qui le traite en détail. [0016] En référence à la figure 1, il est représenté une vue en perspective d'un conduit 10 de collecteur d'échappement 1 (illustré partiellement) présentant une portion sensiblement linéaire et munie d'une barrette métallique 4 fixée, en 10 ses extrémités, par deux vis 5 et 6 sur ce conduit 10. Le vissage est réalisé dans des cônes de réception taraudés 5s et 6s, intégrés au conduit 10. [0017] Une bride amont 3 couplée à l'extrémité amont EM du conduit 10 est destinée à être fixée à la culasse d'un moteur à combustion interne (non représentée). Un panneau 2 de renforcement du collecteur d'échappement 1 relie 15 le conduit 10 à un autre conduit (non représenté) du collecteur 1. Une singularité géométrique 20 apparaît alors à l'extrémité du rebord 21 du panneau 2 venant en jonction sur le conduit 10. [0018] La barrette métallique 4 se trouve agencée le long du conduit 10 à hauteur de la singularité géométrique 20, plus précisément de part et d'autre de 20 celle-ci, de sorte à l'enjamber tout en restant à proximité immédiate de cette singularité 20, c'est-à-dire au plus près compte tenu des contraintes d'espacement liées à la technologie de fixation utilisée. En fonctionnement moteur, le gradient de température qui s'installe au niveau de la singularité géométrique 20 est alors réduit par le transfert thermique réalisé par la barrette 4 qui sert de pont 25 thermique. [0019]La barrette 4 est avantageusement constituée d'un alliage de cuivre, excellent conducteur thermique. Alternativement, une telle barrette peut aussi être constituée par tout autre alliage à base d'un métal, par exemple l'aluminium ou le zinc, meilleur conducteur de la chaleur que la fonte qui 30 est le matériau dont est en général constitué le collecteur d'échappement. 3036133 6 [0020] Dans d'autres modes de réalisation, le pont thermique est réalisé à partir d'une tresse métallique et des rivets sont utilisés à la place des vis pour fixer la barrette 4 sur le conduit 10. [0021 ] Vus en coupe selon le plan transversal P passant par les axes des 5 vis 5 et 6, le conduit 10 et la barrette métallique 4 apparaissent également sur la figure 2. Cette figure 2 permet de détailler la fixation de cette barrette 4 sur les faces planes 5f et 6f des deux bossages de réception, 5s et 6s, dans lesquels sont vissées respectivement les deux vis 5 et 6, ajustées sur la barrette métallique 4 à l'aide de brides 5c et 6c placées entre la barrette 4 et les vis 5 et 6. 10 Avantageusement, une pâte de conduction thermique 7 est placée entre les faces 5f et 6f et la barrette 4 afin de former des plages de contact pour augmenter la conduction thermique entre cette barrette 4 et la fonte constitutive du conduit 10. [0022] La figure 3 montre plus globalement le schéma en vue supérieure d'un autre collecteur d'échappement 100 comportant des conduits courbes 11 à 15 14 et pourvu d'une barrette 4' du type décrit précédemment. Dans cet exemple, les axes X1 à X4 respectivement des conduits 11 à 14 sont dans un même plan (le plan de la figure), les conduits 11 et 14 entourant de part et d'autre les conduits 12 et 13. [0023] La barrette 4' est fixée de part et d'autre d'une singularité 20 géométrique formée par une portion d'arche de forte courbure 8a, d'une manière semblable à celle décrite en référence aux figures 1 et 2, l'arche 8a venant ici d'un panneau de rigidification 8 agencé entre les conduits 11 et 12. De manière équivalente, les conduits 13 et 14 sont réunis par un panneau de rigidification 8' prolongé par une arche 8'a. De plus, Les deux conduits centraux 12 et 13 sont 25 également reliés par un panneau de rigidification central 9. [0024] Par ailleurs, du côté aval AV de la ligne d'échappement, les conduits 11 à 14 se réunissent en leurs extrémités aval Ev pour former un seul conduit 15 couplé à la bride aval unique 32. Du côté amont AM vers la culasse moteur (non représentée), la bride amont 30 se compose de trois embouts 3a, 3b 30 et 3c, respectivement couplées aux extrémités amont EM des conduits 11, 12 et 13 (montés en commun sur l'embout 3b), et 14. 3036133 7 [0025] Entre un embout de bride amont 3a, 3b ou 3c et la bride aval 32, la température de peau croît dans cet exemple entre 250°C et 800°C lorsque le moteur à combustion interne, sur lequel le collecteur d'échappement 100 est monté, arrive en régime stabilisé pleine charge de fonctionnement. La barrette 5 métallique 4', agencée à proximité immédiate de la singularité géométrique 21, créée à la jonction du conduit 11 et de l'arche 8a, permet de déplacer les contraintes thermomécaniques vers des zones du conduit 11 éloignées de la zone critique de singularité 21 et pouvant mieux résister à ces contraintes, le gradient de température local au niveau de la singularité 21 étant alors réduit. Ainsi, le 10 risque de création d'une fissure prenant naissance à hauteur de cette singularité 21 est également sensiblement réduit. [0026] Le transfert des températures ainsi apporté par un pont thermique du type des barrettes 4 ou 4' peut se mesurer par des capteurs appropriés. Il est également mesurable par une modélisation réalisée par transposition énergétique 15 à partir d'un schéma électrique équivalent et d'un ensemble de données physiques se rapportant au pont thermique. Les figures 4 à 6 présentent ainsi un exemple de modélisation des températures apportées par le pont thermique constitué par la barrette 4' (cf. figure 3), à partir de l'évolution calculée des températures de cinq points particuliers E, A, B, C, S placés le long d'une ligne L1 20 (en pointillés sur la figure 3) d'un conduit de collecteur pourvu d'un pont thermique selon l'invention, la barrette 4' et le conduit 11 dans cet exemple. [0027] De manière plus précise, la ligne pointillée L1 traverse longitudinalement la barrette 4' aux points A, B et C, localisés respectivement à l'entrée, au centre et à la sortie de la barrette 4'. Les points E et S sont situés aux 25 extrémités de la ligne L1, le point d'entrée E sur l'embout 3a de la bride amont et le point de sortie S au niveau où les conduits 11 à 14 se réunissent en un seul conduit 15 du côté de la la bride aval 32. Ainsi les points E, A, B, C, S sont placés successivement dans le sens de la température croissante du collecteur 100. [0028] La figure 4 présente tout d'abord, par un schéma électrique 30 équivalent, une modélisation de la conduction des flux thermiques dans la paroi d'un conduit du collecteur classique, dépourvu de pont thermique. La flèche 40 indique le sens d'augmentation en température. Chaque augmentation partielle en 3036 133 8 température est représentée par une résistance électrique : R1 entre les points E et A, R2 entre les points A et B, R3 entre les points B et C, et R4 entre les points C et S. [0029] La figure 5 présente alors la modélisation de la figure 4 lorsque le 5 conduit du collecteur est combiné à un pont thermique placé de part et d'autre d'une singularité, comme décrit précédemment. Le pont thermique est représenté par la résistance R5 et ses deux fixations par les deux résistances R6 et R'6. [0030] Une simulation des gradients de température est alors réalisée à partir des données physiques, par exemple: longueur, épaisseur, matériau du pont 10 thermique, distances entre les points de fixation du pont thermique et distance entre le pont thermique et la singularité. Le résultat de la simulation est présenté en référence à la figure 6 par une représentation graphique de l'effet d'un pont thermique sur le gradient de température local, c'est-à-dire à proximité immédiate d'une singularité. 15 [0031 ]Sur cette figure 6, les ordonnées indiquent les températures « t » de peau du collecteur d'échappement 100, et l'abscisse « p » indique les positions sur le conduit 10 entre les points E et S (cf. figure 3). La courbe sensiblement linéaire en pointillés 60 montre l'évolution de la température de peau du conduit 10 du collecteur d'échappement 100 en l'absence de pont thermique, et la courbe en 20 trait plein 61 montre l'évolution de la température entre ces points E et S en présence de la barrette 4' placée entre les points A et C, comme illustrée sur la figure 3. [0032]11 apparaît que les températures des deux points de fixation A et C de la barrette 4' sur le conduit 10 sont rapprochées - avec un écart de 25 température At2 de l'ordre de 17°C - en présence du pont thermique alors que l'écart Ati de température entre ces point A et C est sensiblement plus important de l'ordre de 40°C - en absence de pont thermique. Cette diminution d'écart de température - en d'autres termes la limitation du gradient de température près d'une singularité - traduit le report des contraintes thermomécaniques vers 30 d'autres zones dépourvues de singularité géométrique, ce qui diminue sensiblement le risque de fissure. 3036133 9 [0033]Le résultat obtenu par cette simulation est conforté par comparaison avec des mesures réelles. Les caractéristiques physiques des ponts thermiques sont alors ajustables pour obtenir des gradients de température souhaités. 5 [0034] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, d'autres types de position des ponts thermiques sur le collecteur d'échappement sont possibles en fonction des singularités géométriques existantes, par exemple entre une bride et un conduit, aux jonctions entre conduits au niveau la bride aval, ou en toute localisation présentant des 10 angles ou des courbures ou des raccordements entre deux composants différents qui sont propices à la création de fissure. Ainsi, lorsque le collecteur présente diverses singularités géométriques, autant de ponts thermiques associés à ces singularités sont avantageusement prévus. [0035] Par ailleurs, les ponts thermiques peuvent également être 15 constitués d'une ou plusieurs tresses ou bandes métalliques, ils peuvent être rigides ou souples. De plus, d'autres manières de fixer un pont thermique sont également possibles, par soudage, collage, bridage ou toute technologie équivalente. REVENDICATIONS1.Collecteur d'échappement (1; 100) destiné à un moteur à combustion interne, le collecteur (1; 100) comportant des conduits (10 ; 11 à 14) présentant d'un côté des extrémités respectivement en liaison (30) avec des cylindres du moteur et d'un autre côté une extrémité unique (15) d'échappement des gaz, caractérisé en ce que, les conduits (10 ; 11 à 14) formant des courbures et/ou étant assemblés par des moyens de liaison (2; 8, 8', 9) présentant au moins une zone de singularité géométrique (21), au moins un pont thermique (4 ; 4') est solidarisé respectivement à au moins un conduit (10 ; 11 à 14) à proximité immédiate d'une (de la) singularité géométrique. 2. Collecteur d'échappement (1; 100) selon la revendication 1, dans lequel, ce collecteur (100) comportant au moins un raccordement de rigidification (2 ; 8, 8', 9) entre deux conduits (10 ; 11 à 14), le ou chaque pont thermique (4 ; 4') s'étend de part et d'autre du (d'un) raccordement de rigidification (2 ; 8, 8', 9) correspondant formant ladite zone de singularité géométrique (21). 3. Collecteur d'échappement (1; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le ou chaque pont thermique (4 ; 4') est solidarisé au conduit (10 ; 11 à 14) correspondant à l'aide d'au moins deux fixations (5, 6) localisées en extrémité du pont thermique (4 ; 4'). 4.Collecteur d'échappement (1; 100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ou chaque pont thermique est constitué d'une barrette rigide (4; 4') en alliage métallique. 5.Collecteur d'échappement (1; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le ou chaque pont thermique comporte un lien souple à base d'alliage métallique, en particulier au moins une tresse ou une bande métallique. 3036 133 11 6. Collecteur d'échappement (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le métal de l'alliage est du cuivre ou à base de cuivre. 7. Collecteur d'échappement (100) selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes, dans lequel la fixation du pont thermique (4 ; 4') sur le conduit (10 ; 11 à 14) est réalisée au choix entre rivetage, vissage, collage, bridage et soudage. 8. Collecteur d'échappement (1; 100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une pâte de conduction thermique est 10 insérée entre le pont thermique (4 ; 4') et le conduit (10 ; 11 à 14). 9. Ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'elle comporte un collecteur d'échappement (1; 100) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une ligne 15 d'échappement selon la revendication précédente.