(19) |
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(11) |
EP 0 787 248 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
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26.01.2000 Patentblatt 2000/04 |
(22) |
Anmeldetag: 16.07.1996 |
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(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
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PCT/EP9603/124 |
(87) |
Internationale Veröffentlichungsnummer: |
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WO 9704/223 (06.02.1997 Gazette 1997/07) |
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(54) |
ABGASANLAGE EINER BRENNKRAFTMASCHINE UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DER SAMMELKAMMER
EINER ABGASANLAGE
EXHAUST-GAS SYSTEM FOR AN INTERNAL-COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF MANUFACTURING THE
MANIFOLD OF SUCH A SYSTEM
SYSTEME D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET PROCEDE DE PRODUCTION DU
COLLECTEUR D'UN SYSTEME D'ECHAPPEMENT
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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DE FR GB IT |
(30) |
Priorität: |
18.07.1995 DE 19526086
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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06.08.1997 Patentblatt 1997/32 |
(73) |
Patentinhaber: Dr.Ing.h.c. F. Porsche Aktiengesellschaft |
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70435 Stuttgart (DE) |
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(72) |
Erfinder: |
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- SITZLER, Klaus
D-70329 Stuttgart (DE)
- HEIN, Manfred
D-71229 Leonberg (DE)
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(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A- 0 321 869 DE-A- 3 815 408 FR-A- 2 350 154
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DE-A- 2 033 434 FR-A- 2 319 012 US-A- 2 886 945
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- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 12, no. 61 (M-671), 24.Februar 1988 & JP,A,62 206216
(SANGO), 10.September 1987,
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine nach dem ersten
Teil des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Mantels für eine Sammelkammer
einer Abgasanlage.
[0002] Aus der DE 40 24 801 A1 ist eine derartige Abgasanlage einer Brennkraftmaschine bekannt,
bei der zwei Abgasrohre etwa senkrecht in eine zwischen zwei Katalysatoren angeordnete
Sammelkammer einmünden. Die Sammelkammer und die jeweils angrenzenden Katalysatoren
sind in einem ovalzylindrischen Metallgehäuse ausgebildet. Zum näheren Aufbau der
Sammelkammer bzw. des Metallgehäuses und zu seinem Herstellverfahren sind in der angeführten
Druckschrift keine näheren Angaben gemacht.
[0003] Es sind jedoch zwei hauptsächlich angewandte Herstellverfahren für eine derartige
Sammelkammer bzw. ein entsprechendes Gehäuse bekannt. Zum einen werden derartige Gehäuse
bzw. Sammelkammern im sogenannten Innen-Hochdruck-Umformverfahren (IHU) hergestellt.
Desweiteren ist es bekannt, derartige Sammelkammern bzw. derartige Gehäuse aus vorgeformten
Halbschalen zusammenzusetzen. Die Herstellung einer derartigen Sammelkammer im Innen-Hochdruck-Umformverfahren
führt insbesondere bei der Großserienfertigung zu relativ langen Fertigungszeiten,
da der eigentliche Formvorgang für die Sammelkammer bzw. das Gehäuse zum Teil 30s
und länger dauert. Dies führt zu langen Fertigungszeiten und ist daher sehr kostenintensiv.
Darüber hinaus sind die für ein derartiges Herstellverfahren verwendbaren Grundwerkstoffe
teuer, so daß auch die Kosten für das Ausgangsmaterial die Gesamtkosten bei der Herstellung
einer derartigen Abgasanlage erhöhen. Beim Aufbau einer derartigen Abgasanlage mit
Sammelkammer in Halbschalentechnik kommen neben den relativ hohen Werkzeugkosten Nachteile
im Hinblick auf die Gesamtfestigkeit einer derartigen Abgasanlage und aufwendige Fertigungsschritte
hinzu. Die Ausbildung einer derartigen Abgasanlage mit einer Sammelkammer im Halbschalenaufbau
führt zu Verbindungsnähten (Schweißnähten) in erheblicher Länge. Darüber hinaus liegen
diese Schweißnähte aus fertigungstechnischen Gründen zumindest teilweise im Bereich
der eintretenden Abgasrohre, so daß einerseits aufwendig geformte Schweißnähte erforderlich
sind, andererseits durch die in diesem Zusammenhang auftretenden Gefügeänderungen
festigkeitsrelevante Eingriffe in spannungs- bzw. biegekritischen Bereichen vorgenommen
werden.
[0004] Aus der DE-A-38 15 408 ist weiterhin eine Abgaseinrichtung für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen
bekannt, die einen an den Zylinderkopf einstückig angeformten gekühlten Abgassammler
aufweist, in den zur Abgasführung ein aus Blech gewickeltes Rohr eingeschoben ist.
Dieses aus einem rechteckförmigen Blech gebogene Rohr hat seitliche Öffnungen, die
den Auslaßkanälen des Zylinderkopfes gegenüberliegen und zur Einleitung von Abgasen
in dieses Rohr dienen.
[0005] Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die bekannte Abgasanlage dahingehend
zu verbessern, daß sie einfacher aufgebaut und einfacher, schneller sowie kostengünstiger
herzustellen ist. Weiterhin sollen insbesondere im Eintrittsbereich der Abgasrohre
in die Sammelkammer günstige Querschnittsverläufe und Verbindungsverfahren ermöglicht
werden, die im Hinblick auf Bauteilsteifigkeit, Spannungsverlauf und Dauerbiege-/Schwingfestigkeit
verbessert sind.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 5 gelöst.
[0007] Da die Mantelfläche der Sammelkammer aus einem gewickelten Blech hergestellt wird
das mit einer Längsnaht zu einem Hohlkörper geschlossen ist, und verläuft die Längsnaht
mit Abstand zu der Eintrittsstelle/den Eintrittsstellen, werden im Vergleich zum Halbschalenaufbau
ungünstige Nahtverläufe im Eintrittsbereich der Abgasrohre vermieden. Dadurch werden
auch Gefügeänderungen in diesem Bereich vermieden, so daß insgesamt eine geringere
Bauteilsteifigkeit und eine verbesserte Dauerbiege- bzw. Schwingfestigkeit erreicht
wird und weichere Übergänge an den Eintrittsstellen möglich sind. Dies führt im Vergleich
zur Ausbildung in Halbschalentechnik zu wesentlichen Verbesserungen im Hinblick auf
die Dauerfestigkeit einer derartigen Anlage. Darüber hinaus ist die Fertigung gegenüber
der Halbschalenbauweise vereinfacht bzw. kostengünstiger, da durch den vergleichsweise
kurzen Nahtbereich ein wesentlich geringerer Schweißaufwand erforderlich ist.
[0008] Gegenüber dem Innen-Hochdruck-Umformverfahren (IHU) sind wesentlich günstigere Ausgangswerkstoffe
für die Ausbildung einer derartigen Abgasanlage einsetzbar, so daß allein durch die
Materialauswahl erhebliche Kosteneinsparungen zu erzielen sind Darüber hinaus ist
eine derartig ausgebildete Abgasanlage schneller zu fertigen, so daß auch damit wesentliche
Kostenvorteile zu erzielen sind.
[0009] Die Fertigung einer derartigen Abgasanlage wird vereinfacht, wenn die Längsnaht auf
der den Eintrittsstellen gegenüberliegenden Seite des Mantels ausgebildet ist. Dadurch
ist in bezug auf die Eintrittsstellen ein beidseitig gleichmäßig gekrümmter Formverlauf
möglich, der besonders einfach zu biegen ist. Darüber hinaus wird durch die relativ
große Entfernung zwischen den Eintrittsstellen und der Längsnaht das Auftreten von
unerwünschten Spannungsverläufen vermieden.
[0010] Die Verbindung der Abgasrohre mit der Sammelkammer läßt sich besonders einfach herstellen
und weist einen im Hinblick auf die Dauerfestigkeit günstigeren Verlauf auf, wenn
im Bereich der Eintrittsstellen nach außen gezogene, umlaufende Ränder ausgebildet
sind, die mit den einmündenden Abgasrohren verbunden sind. Diese umlaufenden Ränder
können durch einen relativ einfachen Umformvorgang aus einem vorgeformten Blechelement
ausgebildet werden. Durch entsprechende Formgebung ist ein im Hinblick auf die Biegefestigkeit
bzw. Biegesteifigkeit günstiger Übergang zwischen Mantel und Abgasrohr sichergestellt.
[0011] Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung. Letztere zeigt in
- Fig. 1
- eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine und deren Abgasanlage,
- Fig. 2
- eine nur teilweise dargestellte Ansicht dieser Abgasanlage, teilweise im Schnitt,
- Fig. 3
- einen Querschnitt durch die Sammelkammer der Abgasanlage entlang der Linie III-III
nach Fig. 2.
[0012] Eine in ein Kraftfahrzeug eingebaute Brennkraftmaschine weist - ohne Beschränkung
auf diese Ausführungsform - zwei Zylinderreihen 1, 2 in Boxeranordnung auf. An deren
Zylinderköpfen 3, 4 sind von einzelnen Zylindern 5 ausgehende Abgasrohre 6 angeordet,
die je Zylinderreihe 1, 2 in einem Stutzen 7 zusammengefünrt sind. An diese Stutzen
sind weiterführende Sammel-Abgasrohre 8 angeschlossen, die das Abgas der Zylinderreihen
1, 2 einem Gehäuse 9 zuführen. Dieses Gehäuse 9 erstreckt sich an der Rückseite der
Brennkraftmaschine quer zu deren Längsrichtung F und weist im Querschnitt eine etwa
kreisförmige Form auf (Fig. 3). Die beiden Sammel-Abgasrohre 8 münden in eine zentral
in diesem Gehäuse 9 ausgebildete Sammelkammer 10, an deren beiden Stirnseiten sich
jeweils ein aus zwei Monolithen 11 ausgebildeter Katalysator 12 anschließt. Auf der
der Sammelkammer 10 abgewandten Stirnseite der Katalysatoren 12 ist das Gehäuse 9
durch jeweils einen Anschlußdeckel 13 verschlossen, von dem eine Rohrleitung 14 ausgeht,
die in einen Endschalldämpfer 15 mündet, der über ein Endrohr 16 mit der Atmosphäre
verbunden ist.
[0013] Die Sammelkammer 10 hat einen zylinderförmigen Mantel 17, der aus einem gewickelten
Blech besteht und an seinen Stirnseiten vom Mantel 18 des jeweils angrenzenden Katalysators
12 und einem diesen umfassenden weiter führenden Gehäuse 19 umschlossen ist. Die stirnseitigen
Enden der Sammelkammer 10 bzw. deren Mantel 17, der Mantel 18 des Katalysators 12
und das weiterführende Gehäuse 19 sind durch eine - nicht näher dargestellte - umlaufende
Schweißnaht fest miteinander verbunden. Der Mantel 17 der Sammelkammer 10 besteht
- wie bereits zuvor angeführt - aus einer ebenen Blechplatine, die durch Wickeln und
Verschweißen an einer Längsnaht 20 zu einem zylindrischen Rohr umgeformt ist. Der
Längsnaht 20 gegenüberliegend sind im Mantel 17 zwei Eintrittsöffnungen 21 ausgebildet,
die jeweils mit einem umlaufenden Rand 22 versehen sind. Diese bilden jeweils eine
Art Hülse, in die die freien Enden 23 der Sammel-Abgasrohre 8 eingesteckt sind. Durch
eine umlaufende - nicht näher dargestellte - Schweißnaht im Bereich des stirnseitigen
Endes der hülsenförmigen Ränder 22 sind die Sammel-Abgasrohre 8 und der Mantel 17
fest miteinander verbunden.
[0014] In Zusammenhang mit zukünftigen gesetzlichen Grenzwerten bzw. Überwachungsvorschriften
(OBD II) kann eine Trennung der Abgasstränge der Zylinderreihen 1 und 2 erforderlich
sein. Dazu ist es möglich, in die Sammelkammer 10 eine Trennwand 24 einzusetzen, die
aus einem etwa tellerförmigen Blech besteht und bei der Montage von einer der offenen
Stirnseiten in die Sammelkammer 10 eingebracht und zwischen den beiden Eintrittsöffnungen
21 positioniert und befestigt wird.
[0015] Der Mantel 17 der Sammelkammer 10 besteht - wie zuvor angeführt - aus einem gewickelten
Blech. Das Ausgangswerkstück für die Sammelkammer 10 bzw. deren Mantel 17 ist eine
ebene Blechplatine, die in mehreren Verfahrensschritten umgeformt ist. Die auf die
bestimmungsgemäßen Abmessungen zugeschnittene ebene Blechplatine wird in einem ersten
Formschritt U-förmig umgebogen, wobei der Krümmungsradius dem Radius der Sammelkammer
10 entspricht. In die gekrümmte Mantelfläche des U-förmigen Zwischenstückes werden
durch einen Formstempel und eine Gegenform nach außen weisende Dome bzw. Stutzen gezogen.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden diese Dome im Bereich ihres Deckels vorgelocht
und anschließend so aufgeweitet, daß die Wände etwa parallel verlaufen und ihr Innendurchmesser
dem Außendurchmesser der Abgasrohre 8 entspricht. Diese vorgelochten bzw. aufgeweiteten
Ränder der Dome entsprechen den hülsenförmigen Rändern 22, die zur Aufnahme der Abgasrohre
23 dienen. Im nächsten Verfahrensschritt werden die parallelen Schenkel des U-förmigen
Zwischenteiles eingerollt, so daß sich eine zylinderförmige Form ausbildet. Die beiden
nunmehr aneinander liegenden stirnseitigen Enden des gewickelten Bleches werden durch
Schweißen in einer Längsnaht miteinander verbunden. Andere Formen der Schweißnaht
sind ohne weiteres möglich. So kann die Längsnaht beispielsweise überlappend oder
mit abgebogen Rändern ausgeführt sein. In weiteren Verfahrensschritten werden die
Abgasrohre 8 in die Eintrittsöffnungen 21 mit ihren umlaufenden Rändern 22 eingesetzt
und durch eine Ringnaht mit dem Mantel 17 verbunden. Die stirnseitigen Enden der Sammelkammer
werden mit dem Mantel 18 der Katalysatoren 12 und dem weiterführenden Gehäuse 19 verbunden.
Dies erfolgt ebenfalls über eine umlaufende, ringförmige Schweißnaht.
[0016] Die Querschnittform des Mantels 17 der Sammelkammer 10 ist nicht auf die beschriebene
Kreiszylinderform beschränkt. Es ist ohne weiteres möglich, beispielsweise ovalzylindrische
oder auch im Querschnitt unsymmetrische gewölbte Mantelbereiche auszubilden.
[0017] Die beschriebene Ausbildung einer Sammelkammer kann ohne weiteres auch bei der Zusammenführung
mehrerer Abgasrohre beispielsweise im Abgasrohrkrümmerbereich angewendet werden. So
kann im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel anstelle des Stutzens 7 eine entsprechend
aufgebaute Sammelkammer angeordnet werden, in die beispielsweise zwei Abgasrohre seitlich
(in den Mantel) und ein Abgasrohre stirnseitig münden.
1. Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einer Sammelkammer (10) mit einem über zumindest
einen Teil seiner Länge gewölbten, aus Blech geformten Mantel (17) und zumindest einem
in die Sammelkammer seitlich eintretenden Abgasrohr (8), wobei die Eintrittsstelle
(21) des jeweiligen Abgasrohres in der Mantelfläche liegt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mantel (17) der Sammelkammer aus einem gewickelten Blech besteht, das mit
einer Längsnaht zu einem Hohlkörper geschlossen ist, wobei diese Längsnaht (20) mit
Abstand zu der Eintrittsstelle/den Eintrittsstellen (21) verläuft, und daß die Eintrittsstelle(n)
(21) aus der Mantelfläche nach außen gezogene, umlaufende Ränder (22) aufweisen, die
mit den einmündenden Abgasrohren (8) verbunden sind.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnaht (20) in dem
der Eintrittsstelle/den Eintrittsstellen (21) gegenüberliegenden Bereich des Mantels
(17) ausgebildet ist.
3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Eintrittsstellen
(21) in dem Mantel (17) ausgebildet sind, die in Längsrichtung, etwa parallel zur
Längsnaht (20) angeordnet sind.
4. Abgasanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mantel (17) zylindrisch ausgebildet ist.
5. Verfahren zur Herstellung des Mantels für eine Sammelkammer einer Abgasanlage nach
einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- Biegen einer ebenen Blechplatine in U-Form,
- Herstellen von Eintrittsstellen für jeweils ein Abgasrohr in den gebogenen Bereich
der Blechplatine durch
- Ausformen jeweils eines zur Aufnahme des jeweiligen Abgasrohrs dienenden, nach außen
weisenden Domes
- Ausbilden einer Öffnung in jedem Dom,
- Einrollen der U-förmigen Blechplatine,
- Herstellen einer Längsnaht (20) entlang der aneinanderliegenden stirnseitigen Enden
der eingerollten Blechplatine.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbilden der Öffnung in
jedem Dom in zwei Teilschritten erfolgt:
- Vorlochen des Domes,
- Aufweiten der vorgelochten Öffnung.
1. An exhaust system of an internal-combustion engine having a collecting chamber (10)
with a jacket (17) formed from metal sheet and curved over at least part of the length
thereof, and at least one exhaust pipe (8) entering the collecting chamber laterally,
wherein the entry point (21) of the respective exhaust pipe is situated in the jacket
surface, characterized in that the jacket (17) of the collecting chamber consists of a metal sheet curved round
and closed by a longitudinal seam to form a hollow body, wherein the said longitudinal
seam (20) extends at a distance from the entry point or points (21), and the entry
point or points (21) is or are provided with continuous edges (22) projecting from
the jacket face and connected to the opening exhaust pipes (8).
2. An exhaust system according to Claim 1, characterized in that the longitudinal seam (20) is formed in the region of the jacket (17) opposite the
entry point or points (21).
3. An exhaust system according to Claim 1 or 2, characterized in that at least two entry points (21) arranged substantially parallel to the longitudinal
seam (20) in the longitudinal direction are formed in the jacket (17).
4. An exhaust system according to one of the preceding Claims, characterized in that the jacket (17) is cylindrical.
5. A method of producing the jacket for a collecting chamber of an exhaust system according
to one of Claims 1 to 4,
characterized by the method steps:
- curving a flat metal-sheet blank into a U-shape,
- producing entry points for respective exhaust pipes in the curved region of the
metal-sheet blank by
- shaping out respective domes extending outwards and used for receiving the respective
exhaust pipes,
- forming an opening in each dome,
- curving around the U-shaped metal-sheet blank, and
- forming a longitudinal seam (20) along the mutually abutting front edges of the
curved-around metal-sheet blank.
6. A method according to Claim 5,
characterized in that the formation of the opening in each dome takes place in two partial steps:
- perforating the dome, and
- widening the perforated opening.
1. Système d'échappement des gaz pour moteur à combustion interne, comportant un collecteur
(10) avec une enveloppe (17) en tôle courbée sur au moins une partie de sa longueur
et au moins un tuyau d'échappement (8) pénétrant latéralement dans le collecteur,
le point d'entrée (21) du tuyau d'échappement respectif se situant dans le surface
d'enveloppe, caractérisé en ce que l'enveloppe (17) du collecteur est réalisée dans
une tôle enroulée qui est fermée par une soudure longitudinale pour former un corps
creux, cette soudure longitudinale (20) s'étendant à distance du point d'entrée/des
points d'entrée (21), et en ce que le (les) point(s) d'entrée (21) présente(nt) des
bords (22) périphériques qui sont dirigés vers l'extérieur de la surface d'enveloppe
et qui sont reliés aux tuyaux d'échappement (8) débouchant à l'intérieur.
2. Système d'échappement des gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soudure
longitudinale (20) est formée dans la zone de l'enveloppe (17) opposée au point d'entrée/
aux points d'entrée (21).
3. Système d'échappement des gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au
moins deux points d'entrée (21) sont formés dans l'enveloppe (17) et sont disposés
dans la direction longitudinale, à peu près parallèlement à la soudure longitudinale
(20).
4. Système d'échappement des gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé
en ce que l'enveloppe (17) est cylindrique.
5. Procédé de fabrication de l'enveloppe d'un collecteur d'un système d'échappement des
gaz selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé par les étapes suivantes:
- cintrage d'une plaque de tôle plane en U,
- réalisation de points d'entrée pour chaque tuyau d'échappement dans la zone cintrée
de la plaque de tôle par
- formage d'un dôme dirigé vers l'extérieur et servant à recevoir le tuyau d'échappement
respectif,
- réalisation d'une ouverture dans chaque dôme,
- roulage de la plaque de tôle en U,
- réalisation d'une soudure longitudinale (20) le long des extrémités frontales opposées
l'une à l'autre de la plaque de tôle roulée.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la réalisation de l'ouverture
dans chaque dôme s'effectue en deux étapes partielles:
- préperçage du dôme,
- élargissement de l'ouverture prépercée.