Le répartiteur d’air, une pièce du circuit d’admission

Le répartiteur d’air est la pièce qui permet la distribution de l’air au sein des différents cylindres du moteur. L’air, qui provient de l’extérieur du véhicule, passe d’abord à travers un filtre puis est acheminé à travers un tuyau d’admission jusqu’au boitier papillon. Ce dernier consiste en une valve qui s’ouvre de façon proportionnelle à l’accélération demandée par le conducteur pour laisser entrer plus ou moins d’air dans le répartiteur d’air situé en aval. Le flux d’air poursuit ensuite son parcours en passant par le plenum du répartiteur d’air avant de se diviser dans les différents runners qui sont les conduits du répartiteur permettant l’accès de l’air dans les cylindres du moteur. Il y a donc un runner par cylindre. Le schéma de la Figure 1 présente la vue éclatée d’un moteur 4 cylindres, le répartiteur d’air (Air Intake Manifold en anglais) représenté sur le schéma de la Figure 1 comporte ainsi 4 runners. L’injection de l’essence se fait après le répartiteur d’air, généralement dans les cylindres dans le cas de l’injection directe ou dans la tubulure d’admission, en amont de la soupape, pour les moteurs à injection indirecte. Figure 1 : Vue éclatée d’un moteur automobile présentant le répartiteur d’air (Intake Manifold) 

Cahier des charges et validation usuelle du répartiteur d’air

Au cours de son utilisation, les sollicitations mécaniques subies par le répartiteur d’air sont multiples. Il existe notamment une sollicitation de pression cyclée due à la variation de la pression de l’air entrant dans la pièce ainsi qu’une sollicitation ponctuelle répétée générant des contraintes élevées et se manifestant lors de l’occurrence de backfires. Ces derniers sont le répartiteur d’air, une pièce du circuit d’admission Chapitre 1 : Etude bibliographique Effets du soudage par vibration sur la microstructure et le comportement en traction de polymères semi-cristallins renforcés par des fibres de verre – Eeva Mofakhami 8 des explosions du mélange air-carburant ayant lieu au sein du répartiteur d’air alors qu’elles devraient normalement se produire dans la chambre de combustion. La sollicitation mécanique la plus critique pour les répartiteurs d’air est celle liée à l’occurrence de backfires car une rupture de la pièce peut intervenir assez tôt dans la vie du véhicule si la pièce est mal dimensionnée. La pression générée par un backfire dépend de plusieurs variables dont le ratio air/carburant, le volume du répartiteur d’air et les éventuelles fuites du circuit d’admission. A titre d’exemple, la procédure de test de Raetech corporation (Raetech Corporation, Document technique) décrit le protocole de mesure et les profils de pression obtenus à l’aide de capteurs lors d’explosions provoquées dans un répartiteur d’air. Les valeurs retenues pour le backfire sont une montée en pression dans le répartiteur d’air d’environ 1 bar/ms atteignant une valeur maximale de 7 bars. L’évaluation de la tenue aux backfires des répartiteurs d’air diffère selon les procédures des équipementiers et constructeurs mais se fait généralement selon deux types d’essais (BASF, 2002) : – Des essais d’éclatement quasi-statique correspondant à une montée en pression inférieure à 1 bar/s. Lors de ces tests la pièce doit résister à des pressions généralement comprises entre 5 et 8 bars pendant 1 minute. Ces essais ne correspondent pas à une sollicitation subie par le répartiteur en termes de vitesse de sollicitation mais permettent de discriminer les pièces les unes par rapport aux autres vis-à-vis de la tenue à une pression interne et donc aux backfires. L’avantage de cet essai est qu’il est simple à mettre en place et peut donc servir à réaliser un suivi de production sur la chaîne d’assemblage. Ces essais peuvent être réalisés en utilisant de l’eau ou de l’air (DSM Engineering Plastics, 2011). – Des essais d’éclatement dynamiques cyclés qui permettent de reproduire les sollicitations ayant lieu lors des backfires. Ces essais permettent ainsi d’évaluer la durée de vie de la pièce en fonction du nombre de backfires subis. Dans ce cas, les valeurs de montée en pression sont proches de 1 bar/ms et les valeurs maximales de pression comprises entre 3 et 7 bars. Pour appliquer ces sollicitations, deux options sont possibles : utiliser un mélange air/carburant et l’allumer dans le répartiteur afin de provoquer son explosion ou utiliser de l’air sous pression. Le point délicat lors de cette dernière solution est de réussir à atteindre les vitesses d’augmentation de pression effectives lors de l’explosion. 

Matériaux et procédés utilisés pour la fabrication du répartiteur d’air

Les répartiteurs d’air ayant une géométrie complexe et creuse, leur fabrication n’est pas aisée. Ces pièces étaient initialement réalisées en aluminium à l’aide du procédé de moulage au sable ou par usinage de blocs. Cependant, des répartiteurs en polymères ont ensuite été développés afin notamment d’alléger les véhicules. Pour obtenir des propriétés mécaniques correspondant au cahier des charges et améliorer la stabilité thermique du matériau, des fibres de verre sont ajoutés dans la formulation, généralement à hauteur de 30-35% en masse. Ces nouveaux matériaux composites ouvrent la voie à d’autres techniques de mise en forme dont l’injection sur noyau fusible mise au point dans les années 70, puis l’injection-soudage qui a maintenant remplacé cette première technique (Fischer, Document technique). 

Procédé d’injection sur noyau fusible

Le procédé d’injection sur noyau fusible permet de réaliser des répartiteurs en polyamide 66 (matériau dont la température de fusion avoisine les 260°C) renforcé par des fibres de verre courtes. La production industrielle de pièces à l’aide de ce procédé a commencé dans les années 80. Le procédé de moulage sur noyau fusible consiste à surmouler la matière plastique sur un modèle en alliage étain-bismuth à basse température de fusion (138°C). Le modèle représente alors le contour intérieur du répartiteur d’air et est inséré dans le moule de la presse à injecter. La matière plastique est ensuite injectée, à pression plus basse que lors d’une injection classique car le modèle en alliage métallique présente une résistance mécanique faible. Les pièces ainsi obtenues passent ensuite dans des bains d’huile à environ 220°C afin de fondre le noyau de la pièce tout en préservant la partie moulée en composite qui fond à une température plus élevée. Une illustration des principales étapes est visible sur la Figure 2 (Fischer, Document technique). Figure 2 : Etapes de fabrication des répartiteurs selon le procédé de moulage sur noyau fusible (Fischer, Document technique)  L’inconvénient de ce procédé est l’utilisation de bains d’huile pour la fusion du noyau. En effet, cette étape est relativement longue : il faut 1 heure pour faire fondre le noyau en alliage contre 1 minute pour le moulage du polymère. Cela implique donc d’avoir des bains de grandes dimensions pouvant contenir au moins 60 pièces, et donc des investissements initiaux élevés. De plus, une erreur de production n’est détectable qu’à la fin du procédé de fabrication, ce qui complique grandement les réglages le long de la chaîne. Une amélioration du procédé consiste à utiliser des bobines d’induction pour accélérer la vitesse de fusion de l’alliage métallique. Des noyaux de 40 kg peuvent ainsi être fondus en 2 minutes. Cependant, les coûts de telles installations sont élevés et d’un point de vue environnemental le recyclage des huiles de bains contaminées n’est pas aisé étant donné la toxicité que présente l’alliage utilisé (Fischer, Document technique). C’est pourquoi le procédé d’injection-assemblage, décrit cidessous, s’est grandement développé comme alternative. 

Procédé d’injection-assemblage

Le procédé de moulage sur noyau fusible étant complexe et nécessitant un investissement important, il a été progressivement remplacé à la fin des années 90 par la méthode d’injectionassemblage qui consiste à injecter plusieurs parties de la pièce, généralement deux coques, puis à les assembler entre elles, comme illustré sur la Figure 3. Cet assemblage peut se faire de plusieurs manières mais la plus répandue est la technologie de soudage par vibration. Cette dernière consiste à mettre les pièces à assembler en contact puis mettre en vibration une des deux pièces. Le frottement entre la pièce vibrante et la pièce statique va alors générer de la chaleur par friction et permettre la fusion locale de la matière.