"Silencieux pour gaz de combustion".
La présente invention est relative à un silencieux destiné à amortir le bruit des gaz de combustion. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un silencieux d'échappement destiné à être attaché à un moteur à combustion interne, tel qu'un moteur d'automobile ou de motocyclette, ou un moteur à réaction ou bien une tubine à gaz en vue d'atténuer le bruit d'échappement tout en permettant aux gaz d'échappement du moteur de traverser ce silencieux, et elle se rapporte également à un silencieux pour les gaz perdus d'un appareil de combustion, tel qu'une chaudière ou un appareil de chauffage ou de cuisson.
Si les gaz d'échappement développés par une combustion de l'air et du combustible ou carburant à haute pression dans un moteur à combustion sont déchargés dans l'atmosphère, ils seront sujets à une expansion rapide et feront du bruit. Ceci soulève le problème de la pollution par le. bruit. Pour éviter cela, un silencieux est prévu dans le passage des gaz d'échappement afin de réduire le bruit d'échappement.
Antérieurement, dans un silencieux pour gaz d'échappement de combustion, on a essayé de remplir l'espace intérieur d'un corps cylindrique formé d'une matière métallique, par exemple en acier ou en acier inoxydable, par une matière absorbant le son, telle
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obtenu d'effet satisfaisant d'absorption du son, à moins que la densité de charge soit accrue, une augmentation de la densité de charge provoquant une contre-pression accrue, ce qui mène ainsi à une détérioration du rendement de combustion et à une forte augmentation du poids du silencieux. En outre, la matière chargée est détériorée par les gaz d'échappement à haute température et une exfoliation partielle résultante et sa décharge dans l'atmosphère créent de nouveau une source de pollution secondaire.
A titre de moyen pour résoudre ce problème, on a décrit, par exemple dans la demande de brevet japonais publiée n[deg.]
18.420/1987, l'utilisation d'une matière poreuse absorbant le son, présentant une porosité désirée, obtenue par une liaison par fusion d'une matière fibreuse sous chauffage, des fibres en acier inoxydable étant présentées à titre d'exemple de matière fibreuse. Toutefois, les fibres en acier inoxydable sont également corrodées par les gaz d'échappement et, de ce fait, elles ne sont pas satisfaisantes du point de vue de la durée de service.
En outre, on a décrit dans la demande de brevet japonais publiée n[deg.] 75.121/1980 la formation de l'enveloppe externe d'un silencieux en utilisant une résine synthétique qui montre un effet d'atténuation du bruit, au lieu d'une matière métallique, et on cite, à titre d'exemple, des résines renforcées par des fibres de carbone ou des fibres de verre. Toutefois, les résines synthétiques soulèvent des problèmes ; à titre d'exemples, elles ne peuvent pas résister à la haute température des gaz d'échappement, et leur connexion à des plaques de réflexion est difficile.
De ce fait, les moyens proposés antérieurement ne sont pas satisfaisants du point de vue de la réduction du bruit qui constitue un problème sérieux récent dans la pollution de l'environnement.
Un but de la présente invention est de résoudre les problèmes rencontrés avec les matières traditionnelles absorbant le son, c'est-à-dire de résoudre le problème d'une pollution secondaire par exfoliation et décharge de la matière d'absorption du son provoquées par une détérioration, le problème de la détérioration provoqué par la corrosion de la matière absorbant le son et le problème d'augmentation de la contre-pression et d'augmentation du poids, créé par une charge de haute densité de la matière absorbant le son, le but de l'invention étant d'atteindre, par une combinaison avec la matière absorbant le son, l'amélioration de la résistance thermique de l'enveloppe externe en résine synthétique, dont on attend un effet d'atténuation du bruit.
La présente invention concerne un silencieux pour le bruit des gaz d'échappement de combustion, ce silencieux comportant un corps d'allure cylindrique, un conduit d'entrée et un conduit de sortie, des fibres de carbone volumineuses accumulées étant chargées ou adaptées à l'intérieur de ce corps d'allure cylindrique.
Ce corps d'allure cylindrique et les conduits d'entrée et de sortie, qui forment le silencieux de la présente invention, peuvent être faits de formes et de structures connues et, si on le désire, on peut utiliser une plaque de cloisonnement et un tube interne, ou bien des trous de résonance peuvent être formés dans le conduit d'entrée, le conduit de sortie et le tube interne. A titre d'exemple de la forme des fibres de carbone volumineuses accumulées à charger ou à adapter dans le silencieux de la présente invention, on peut envisager des formes du type matte ou du type feutre, ainsi que des tissus et des textiles à trois dimensions.
Il est préférable que la densité apparente des fibres de carbone volumineuses accumulées que l'on utilise dans la présente invention soit de l'ordre de 0,001 à 0,20 g/cm<3>. La "densité apparente" à laquelle on se réfère ici désigne la densité apparente des fibres de carbone ,accumulées lorsqu'elles ont été chargées ou adaptées. Si la densité apparente est inférieure à 0,001 g/cm<3>, l'effet d'amortissement ne sera pas satisfaisant et, si elle dépasse 0,20 g/cm<3>, l'économie de carburant sera détériorée du fait de la perte de pression bien que l'on atteigne un effet d'amortissement satisfaisant. Une préférence particulière va à la gamme de 0,02 à 0,20 g/cm<3>.
Les fibres de carbone utilisées comme matières premières pour les fibres de carbone volumineuses accumulées de la présente invention peuvent être l'une quelconque des fibres de rayonne, de polyacrylonitrile, d'asphalte ou brai de pétrole, et de brai de houille, mais les fibres de carbone à base de brai sont les plus efficaces. En ce qui concerne leur longueur, les fibres de carbone peuvent être des fibres courtes, moyennes ou longues. Les fibres de carbone en cause se caractérisent par le fait qu'elles présentent une résistance supérieure à la chaleur et aux acides et qu'elles sont d'une faible conductivité thermique. "Fibres de carbone" est une expression générique pour désigner à la fois les fibres de carbone et les fibres de graphite.
Les fibres de carbone volumineuses accumulées utilisées dans le cadre de la présente invention peuvent s'obtenir par des méthodes traditionnelles. Aucune limitation spéciale n'est imposée à la manière dont on les produit. A titre d'exemple, on peut adopter un procédé dans lequel des fibres de carbone brutes sont accumulées et traitées par une opération de piquage ; un procédé dans lequel des fibres de brai accumulées obtenues par défibration et dépôt au départ d'un brai fondu suivant un procédé à tourbillonnement sont rendues infusibles et ensuite carbonisées , un procédé dans lequel des fibres de carbone sont soumises à un procédé de papeterie ou un procédé dans lequel les fibres de carbone ainsi traitées sont encore soumises à un traitement par piquage à l'aiguille.
De plus, les fibres de carbone accumulées peuvent être imprégnées d'une résine synthétique thermocarbonisable et ensuite traitées thermiquement pour carboniser la résine synthétique, de manière à améliorer la résistance mécanique, la propriété de conservation de la forme, les propriétés d'empêcher la détérioration et l'éparpillement, et la résistance à la chaleur.
Les fibres de carbone volumineuses accumulées, utilisées dans la présente invention, peuvent être constituées par un mélange de fibres de carbone et de fibres organiques et inorganiques en vue d'améliorer la résistance mécanique et la propriété de conservation de la forme. Il n'y a pas de limite spéciale quant aux fibres inorganiques utilisables pour le mélange avec les fibres de carbone. Des exemples sont les fibres de bore, les fibres de carbure de silicium, les fibres de silicone, titane, oxyde de carbone, et les fibres amorphes. Lorsqu'on utilise des fibres organiques à cette même fin, il est préférable pour l'amélioration de la résistance à la chaleur que l'opération de mélange soit suivie par un chauffage en vue d'une carbonisation.
La méthode de montage ou de chargement des fibres de carbone volumineuses accumulées à l'intérieur du corps cylindrique ne suppose pas de limites spéciales. A titre d'exemple, l'espace intérieur du silencieux peut être chargé de façon appropriée par des fibres de carbone. En outre, dans le cas d'un montage, les fibres de carbone peuvent être montées ou adaptées dans une position appro-priée, en étant de préférence montées sur au moins une partie, telle que la paroi interne du corps cylindrique, la surface interne ou externe du tube intérieur, ou la surface de la plaque de cloisonnement.
En ce qui concerne la matière employée pour le corps cylindrique, on peut utiliser une matière métallique du type employé jusqu'à présent. Il est cependant désirable d'utiliser une résine résistant
à la chaleur en raison du faible poids et de l'excellent comportement d'amortissement des bruits. Aucune limitation spéciale n'est imposée quant à la résine résistant à la chaleur. On peut utiliser à la fois les résines thermoplastiques et les résines thermodurcissables. On utilise de préférence au moins un membre choisi dans le groupe comprenant les résines époxydes, les résines phénoliques, les résines de silicone, les résines de polyester insaturées, une résine de phtâlate de diallyle une résine de mélamine, des résines de polycarbodiimide thermodurcissables, et des polyesters cristallins liquides.
Les résines résistant à la chaleur montrent un effet d'absorption du son, en particulier dans leur région visco-élastique au-dessus de leurs points de transition vitreuse. Les polymères cristal lins liquides présentent des températures de déformation à chaud extrêmement élevées, qui se situent au-dessus de 300[deg.]C, et ils sont donc supérieurs en particulier en ce qui concerne la résistance thermique.
On peut ajouter divers additifs à la résine résistant
à la chaleur utilisée. Aucune limitation spéciale n'est imposée quant aux additifs à ajouter. A titre d'exemple, on peut employer au moins un mica, un oxyde de silicone, du talc, une poudre d'aluminium, une laine de verre et une poudre de carbone.
L'invention sera encore décrite ci-après plus complètement avec référence aux dessins annexés.
Les Figures 1 à 3 et 6 représentent chacune une vue en élévation montrant un exemple de silencieux suivant la présente invention.
Les figures 4 et 7 sont des graphiques montrant les résultats des mesures faites en utilisant un sonomètre ordinaire (JIS-C-
1052).
Les Figures 5 et 8 sont des graphiques montrant les résultats de l'analyse FFT pour divers silencieux.
La Figure 1 est une vue en coupe montrant un exemple de silencieux suivant la présente invention, dans lequel les gaz d'échappement passent par un conduit d'entrée 2 et une chambre 6, pour être déchargés ensuite par un conduit de sortie 3, et ce comme indiqué par les flèches. Un corps 1 est d'une forme cylindrique, elliptique ou prismatique et il comporte des plaques de réflexion 4, les conduits d'entrée et de sortie 2 et 3 des gaz d'échappement, qui traversent ces plaques, étant attachés aux deux parties extrêmes du corps 1. Ce corps 1 et les plaques de réflexion 4 sont formés en utilisant une résine résistant à la chaleur. Sur la Figure 1, les fibres de carbone volumineuses accumulées précédentes sont montées sous forme d'une garniture 5 sur la surface interne du corps 1 et sur celles des plaques de réflexion 4.
En outre, la chambre 6 formée entre le corps 1 et les conduits d'entrée et de sortie 2 et 3 est remplie de fibres de carbone volumineuses accumulées. La garniture 5 peut être formée en utilisant une autre matière résistant à la chaleur.
Suivant la Figure 2, une plaque de cloisonnement 7 est montée sur une partie extrême du conduit de sortie 3 attaché à une plaque de réflexion 4 pour subdiviser ainsi la chambre 6 en compartiments 8 et 10. Le compartiment 8 est rempli de fibres de carbone volumineuses accumulées, tandis que la chambre 10 est utilisée à titre de chambre à expansion libre pour les gaz d'échappement. En outre, un tube 9 assurant une communication entre les compartiments 8 et 10 est monté à travers la plaque de cloisonnement 7.
Dans le cas de la Figure 3, on prévoit que, dans la construction suivant la Figure 1, les fibres de carbone volumineuses accumulées sont montées sous forme d'éléments de montage 11 sur les deux faces de la plaque de cloisonnement 7 ; les compartiments 8 et 10 sont remplis de fibres de carbone accumulées ; de plus, les mêmes fibres de carbone sont montées sous forme d'une garniture 5 sur la surface interne du corps 1 et sur celle des plaques de réflexion
4.
Le silencieux suivant la présente invention montre les fonctions et les effets suivants.
(I) Fonctions et effets atteints par le montage ou le remplissage grâce
aux fibres de carbone volumineuses accumulées :
(a) L'effet d'absorption du son est supérieur à celui des matières traditionnelles absorbant le son, par exemple la laine minérale.
Bien que la raison pour laquelle les fibres de carbone volumineuses accumulées montrent un effet particulièrement excellent d'absorption du son, comparativement à d'autres matières absorbant le son ne soit pas clair, on présume que la combinaison de textures cristallines et non cristallines de chaque fibre de carbone s'apparie aux conditions des gaz de combustion d'échappement.
De façon plus particulière, on pense que la texture cristalline d'un composant de chaque fibre de carbone correspond à une sorte de ressort présentant de l'élasticité, et que la texture non cristalline correspond à un dash-pot présentant une visco-élasticité, que l'ensemble agit comme un système d'oscillation amortie visqueux comportant le ressort et le dash-pot et que ce système entre en résonance avec la fréquence des gaz de combustion d'échappement, tels les gaz d'échappement d'un moteur, pour absorber de l'énergie de façon plus efficace. Un effet remarquable s'obtient en particulier sous les conditions de température des gaz de combustion d'échappement.
Il s'agit là d'une caractéristique de la présente invention.
(b) Comme les fibres de carbone accumulées sont volumineuses sous forme d'un feutre, d'une natte, etc., il est possible de réduire le poids du silencieux.
(c) La contre-pression à la sortie du moteur ou de l'appareil de combustion n'est pas augmentée, de sorte que la quantité de carburant consommée n'est pas accrue.
(d) Comme les fibres de carbone volumineuses accumulées ne sont pas partiellement détériorées par les gaz d'échappement et éparpillées à l'extérieur, il ne faut pas craindre de pollution secondaire.
(II) Fonctions et effets atteints en réalisant le corps cylindrique en utilisant une résine résistant à la chaleur :
(e) du fait de la résistance supérieure aux acides et à la chaleur, la durée ou vie du corps cylindrique est plus longue que celle d'un silencieux métallique.
(f) Comparativement à un silencieux métallique, l'utilisation d'une résine résistant à la chaleur permet une réduction de poids.
(g) On peut atteindre un effet plus élevé d'atténuation du bruit que l'effet que l'on obtient d'un silencieux métallique.
(h) L'effet d'absorption du son est particulièrement remarquable dans une région visco-élastique se situant au-dessus du point de transition vitreuse de la résine.
(III) Fonctions et effets synergiques atteints lorsque le corps cylindrique
est formé d'une résine résistant à la chaleur et que les fibres de carbone volumineuses accumulées sont montées sur la surface interne de ce corps cylindrique :
(i) on peut réaliser un silencieux de très faible poids.
(j) On peut réaliser un silencieux d'une longue durée ou vie.
(k) On peut réaliser un silencieux qui montre un effet élevé d'amortissement du bruit.
La présente invention sera encore décrite ci-après dans des exemples de mise en oeuvre.
Traitement 1
Un élément en céramique-papier a été monté comme garniture 5 sur la surface intérieure du corps cylindrique 1 formé d'une résine résistant à la chaleur (résine phénolique) et présentant une structure en coupe telle qu'illustrée par la Figure 1, et l'intérieur de la chambre 6 a été- rempli d'un feutre de fibres de carbone à base d'asphalte ou de brai de pétrole. De cette manière, on a fabriqué trois types de silencieux à titre d'exemples de mise en oeuvre, ces silencieux présentant leurs chambres respectives 6 remplies d'un tel feutre en fibres de carbone de différentes densités apparentes. A titre d'exemples de comparaison, on a fabriqué un silencieux ne comportant pas la charge de feutre de fibres de carbone et un silencieux rempli de laine minérale. Ces trois types de silencieux ont été essayés pour déterminer l'effet d'amortissement du bruit.
De façon plus particulière, les silencieux ont été attachés chacun à un moteur à essence à quatre temps, quatre cylindres, 1,5 litre, refroidi par eau, et le bruit d'échappement au conduit de sortie du silencieux a été mesuré par un sonomètre ordinaire (JIS-C-1052) à travers un microphone mesurant le bruit. Le microphone a été placé en position à 50 cm dans une direction à 45[deg.] vers l'extérieur par rapport au conduit de sortie à la même hauteur que celui-ci. La Figure 4 montre la relation entre la vitesse du moteur (tpm) et le niveau total de bruit [dB(A)] à un débit constant du moteur de 15 kw.
Sur la Figure 4, le numéro de référence 1 désigne les résultats de l'essai du silencieux dont l'espace intérieur ne comportait pas de charge ; 2, 3 et 4 désignent les résultats de l'essai des silencieux dont les espaces intérieurs étaient chargés des fibres de carbone volumineuses accumulées d'une densité apparente respectivement de 0,035, 0,053 et 0,070 (g/cm<3>) ; et 5 désigne les résultats de l'essai du silencieux dont l'espace interne avait été chargé de 0,15 g/cm<3> de laine minérale.
Traitement 2
Parmi les silencieux utilisés dans le Traitement 1, le silencieux 4 chargé des fibres de carbone volumineuses accumulées à une densité apparente de 0,07 g/cm<3>, le silencieux 5 chargé de 0,15 g/cm<3> de laine minérale et le silencieux 1 dont l'espace intérieur n'était pas chargé ont été essayés pour déterminer l'effet d'amortissement du bruit de la même manière que dans le Traitement 1 en utilisant un analyseur FFT (fast fourier transformation). La Figure 5 montre les résultats de l'analyse des relations entre la fréquence et le niveau du bruit pour chacun des silencieux. On peut voir que le silencieux 4 qui est un exemple de mise en oeuvre de la présente est d'un faible niveau de bruit et est supérieur en ce qui concerne l'effet d'amortissement du bruit comparativement aux silencieux traditionnels 5 et
1.
Traitement 3
On a fabriqué un silencieux comportant une structure en coupe telle qu'illustrée par la Figure 6, où trois rouleaux (épaisseur de 30 mm, poids total de 265 g) d'un feutre de carbone 11 (épaisseur de 10 mm) ont été montés sur la surface interne d'un corps cylindrique 1 formé d'un polyester cristallin liquide "Xydar" (marque enregistrée, produit de la société Amoco Performance Products Inc., U.S.A.) compor-tant une incorporation de fibres de verre.
Ce silencieux a été attaché à un moteur à essence à quatre temps, quatre cylindres, 1,5 litre, et vérifié en ce qui concerne la relation entre la vitesse du moteur (tpm) et le niveau total de bruit [Db(A)] de la même manière que dans le cas du Traitement
1. Cette fois-ci, le débit du moteur a été maintenu constant à 22 kw. Les résultats de l'essai sont présentés par la Figure 7.
Traitement 4
On a fabriqué un silencieux et on l'a essayé de la même manière que dans le cas du Traitement 3, sauf que le corps cylindrique 1 a été remplacé par un corps cylindrique formé du polyester cristallin liquide "Xydar" avec à la fois des fibres de verre et 30 % en poids de fibres de carbone incorporées. Les résultats de l'essai sont tels que présentés par la Figure 7.
Ce silencieux a été également vérifié en ce qui concerne l'effet d'amortissement du bruit en utilisant un analyseur FFT de la même manière que dans le Traitement 2. Les résultats de l'analyse sont tels qu'illustrés par la Figure 8.
Traitement 5
A titre d'exemple comparatif, on a fabriqué un silencieux ayant une enveloppe externe cylindrique formée en utilisant une tôle d'acier, à la place du silencieux formé en utilisant le polyester cristallin liquide du Traitement 4. Ce silencieux, sans charge ou montage interne, a été vérifié de la même manière que dans le cas du Traitement
4. Les résultats des essais sont tels que présentés par les Figures 7 et 8.
REVENDICATIONS
1. Silencieux destiné à amortir le bruit des gaz de combustion d'échappement, comportant un corps (1), un conduit d'entrée
(2) et un conduit de sortie (3), caractérisé en ce que l'intérieur du corps (1) est rempli ou chargé de fibres de carbone volumineuses accumulées.