FR2889721A1 - Conduit d'echappement - Google Patents
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Abstract
Ce conduit d'échappement (20) comporte, disposés de manière concentrique :- un tube interne en composite à matrice inorganique (22) ;- un tube externe métallique (24) ;- une couche de maintien (26) d'un matériau fibreux.L'épaisseur de la couche de maintien (26) est comprise entre 2 mm et 10 mm, et de préférence entre 3 mm et 6 mm. La pression de maintien minimale exercée par la couche de maintien (26) sur le tube interne (22) est comprise entre 10<-4> MPa et 10<-1> MPa.
Description
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La présente invention concerne un conduit d'échappement comportant, disposés de manière concentrique: - un tube interne en composite à matrice inorganique; - un tube externe métallique; et - une couche de maintien d'un matériau fibreux.
De nos jours, l'implantation d'organes de dépollution dans les lignes d'échappement nécessite une gestion précise des flux thermiques du moteur jusqu'à la sortie d'échappement. En particulier, il convient de permettre que l'essentiel de la chaleur produite par le moteur parvienne aux équipements de dépollution implantés sur la ligne d'échappement. Un tel transfert est exigé notamment lors du démarrage du véhicule afin de permettre une montée rapide en température des éléments catalytiques. En effet, avant une température prédéterminée, ceux-ci ne sont pas actifs.
Afin de permettre une montée rapide en température du cataly- seur, il est connu que les éléments de la ligne d'échappement compris entre la sortie du moteur et les organes de dépollution comportent un tube interne en céramique entouré d'un tube externe en métal entre lesquels est interposé un matériau isolant. En effet, le tube céramique, du fait de sa faible inertie thermique, réduit fortement le transfert thermique des gaz d'échappement vers le tube céramique.
Par ailleurs, la faible dilatation thermique du tube interne céramique permet de réaliser des conduites internes monobloc même pour des moteurs libérant des gaz d'échappement à très hautes températures, notamment supérieures à 1000 C sans risque de rupture thermomécanique.
Une telle structure est utilisée notamment dans les collecteurs d'échappement prévus immédiatement en sortie du moteur.
Un tel collecteur est décrit par exemple dans le document US 6,725,658.
Dans ce document, il est proposé de prévoir entre le tube interne de céramique dense et le tube externe de métal, une couche relativement épaisse, thermiquement isolante, de fibres céramiques en contact avec le tube de céramique. La couche épaisse de fibres céramiques a une épaisseur comprise entre 1 mm et 40 mm et de préférence entre 2 mm et 20 mm.
Dans un mode de réalisation particulier, une couche mince dite d'isolation des contraintes est prévue entre la couche épaisse de fibres céramique et le tube externe de métal. Cette couche mince d'isolation des contraintes est comprise entre 0,05 mm et 2 mm et de préférence entre 0,1 mm et 0,5 mm. Cette couche d'isolation des contraintes a vocation à absorber les vibrations du moteur et de la route pour éviter la destruction de la couche de fibres de céramique épaisse. Cette couche atténue aussi les vibrations, notamment en compensant les expansions thermiques différentiel-les entre la couche de fibres de céramique épaisse et le tube externe de mé- tal lors de l'échauffement de la ligne d'échappement. En effet, lorsque le tube interne est parcouru par des gaz à hautes températures, on constate des expansions thermiques différentielles importantes car le tube interne de céramique dense ainsi que la couche épaisse de fibres céramiques ont des coefficients de dilatation relativement faibles en comparaison du tube ex- terne en métal.
Cette couche mince d'isolation des contraintes est nécessaire dans le dispositif décrit dans US 6,725,658 car la couche épaisse de fibres céramiques n'a pas les propriétés requises pour compenser le jeu dû à la dilatation différentielle entre le tube interne de céramique dense et le tube externe en métal.
US 6,725,658 décrit donc une structure multicouche comprenant au minimum une couche interne céramique dense, une couche épaisse thermiquement isolante de fibres céramiques et une couche métallique. Cette structure est éventuellement complétée par une couche mince d'isola-tion des contraintes destinée à protéger la couche épaisse de fibres céramiques des vibrations.
Or, en plus des vibrations susceptibles d'endommager la couche épaisse de fibres céramiques, une structure du type de celle décrite dans US 6,725, 658 est encore soumise, au niveau de la paroi interne du tube in-terne céramique dense, à des sollicitations dues au flux des gaz d'échappement. Ces sollicitations ont tendance à entraîner le tube interne avec le flux de gaz occasionnant un problème du maintien du tube interne céramique dans le tube externe en métal.
2889721 3 Or, l'enseignement de US 6,725,658 ne contient aucun élément susceptible de résoudre le problème du maintien de la couche interne céramique dense dans une structure métallique.
C'est pourquoi l'invention a pour objet un conduit d'échappement permettant un acheminement satisfaisant de la chaleur comprenant une conduite interne en composite à matrice inorganique maintenue dans une structure métallique externe.
A cet effet, l'invention a pour objet un conduit d'échappement du type précité, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de maintien est comprise entre 2 mm et 10 mm, et de préférence entre 3 mm et 6 mm, et en ce que la pression de maintien minimale exercée par la couche de maintien sur le tube interne est comprise entre 104 MPa et 10-1 MPa.
Selon des modes particuliers de réalisation, le conduit ci-après comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la pression de maintien minimale exercée par la couche de main- tien sur le tube interne est comprise entre 10-3 MPa et 5.10-2 MPa, - le tube externe métallique a une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 3 mm, - le tube externe métallique est choisi dans le groupe consistant en un tube d'acier, un tube d'aluminium et un tube de titane, - le tube externe est formé de deux demi-coquilles en forme de gouttières assemblées par des joints longitudinaux, - le tube interne en composite à matrice inorganique a une épaisseur inférieure à 2 mm, - le tube interne composite à matrice inorganique comprend une matrice constituée par au moins un polymère inorganique, - le polymère inorganique est un géopolymère à base d'aluminosi- licate, - le tube interne composite à matrice inorganique comprend une matrice renforcée par des fibres, notamment à base de carbure de silicium (SiC), de carbone, de silice (SiO2), ou d'un fil métallique inoxydable résistant à des températures égales ou supérieures à 600 , - la couche de maintien comprend une nappe de fibres de cérami- que, - la couche de maintien comprend des fibres de céramique et un liant inorganique, la couche de maintien comprenant entre 90 % à 100 % en poids de fibres céramiques, - les fibres céramiques sont des fibres sélectionnées dans le groupe consistant en des fibres de silice, de fibres d'alumine, de fibres de zirconium, de fibres d'alumineborosilicate, et de mélanges de celles-ci, - les fibres contenues dans la couche de maintien sont un mé-lange de fibres d'alumine et de fibres de silice dans un rapport de respectivement 72 et 28 %, - la GBD du matériau constituant la couche de maintien est comprise entre 0,1 et 0,6, - la densité du matériau constituant la couche de maintien est comprise entre 500 g/m2 et 3000 g/m2, - le coefficient de frottement du matériau formant la couche de maintien contre les surfaces des tubes interne et externe est compris entre 0,15 et 0,7, et - le collecteur d'échappement comporte au moins un conduit d'échappement tel que défini ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référent aux dessins sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un collecteur d'échappement selon l'invention; et - la figure 2 est une vue en section d'un conduit d'échappement du collecteur de la figure 1.
Le collecteur d'échappement 10 illustré sur la figure 1 est destiné à être disposé en sortie d'un moteur thermique à l'entrée d'une ligne d'échappement d'un véhicule automobile. Cette ligne d'échappement comporte en aval du collecteur 10, éventuellement un système de suralimentation (turbo) et un ou plusieurs éléments de dépollution propres à fonctionner à température élevée.
2889721 5 Le collecteur 10 comporte plusieurs entrées 12 convergeant vers une bride de sortie 14. Les entrées 12 sont reliées à la bride de sortie 14 par des conduits 20 débouchant les uns dans les autres.
Comme illustré sur la figure 2, chaque conduit 20 comporte un tube interne 22 en composite à matrice inorganique, notamment céramique, et un tube externe en métal 24 entre lesquels est disposée une couche de maintien 26 constituée d'un matériau fibreux céramique.
De préférence, le conduit est constitué seulement des trois couches 22, 24 et 26.
Le tube externe 24 est formé d'une paroi métallique ayant une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm. Suivant un premier mode de réalisation, le tube externe 24 est un tube cylindrique métallique notamment d'acier, d'aluminium ou de titane.
En variante, et comme illustré sur la figure 1, le tube externe 24 est formé de deux demi coquilles métalliques 27 en forme de gouttières assemblées par des joints longitudinaux opposés 28.
A chacune de ses extrémités, le tube externe 24 est pourvu de brides permettant sa liaison avec, en amont, le moteur et en aval, la ligne d'échappement du véhicule.
Le choix d'un tube externe métallique se justifie par la nécessité d'assurer une étanchéité optimale en amont des éléments de dépollution, et notamment au niveau de la jonction du tube externe avec les brides métalliques amont et aval. A titre indicatif, le débit de fuite autorisé est de 25 Titres/heure, à 20 C sous 1,3 bars.Le tube interne 22 est un tube formé à par- tir d'un matériau composite à matrice inorganique notamment céramique. Des exemples de matériaux composites à matrice inorganique pouvant permettre la formation du tube interne 22 sont donnés dans les demandes de brevet US6134881 et WO2004106705. Ces matériaux sont formés par l'association d'une matrice constituée par au moins un polymère inorgani- que, préférentiellement de type géopolymère, à base d'aluminosilicate. Cette matrice est renforcée par des fibres, notamment à base de carbure de silicium (SiC) ou de carbone ou de silice (SiO2), voire d'un fil métallique inoxydable résistant à des températures égales ou supérieures à 600 C (inox, 2889721 6 inconel , ...). De préférence, le tube interne 22 est formé d'une paroi ayant une épaisseur inférieure à 2 mm.
La couche de maintien 26 présente une épaisseur comprise entre 2 et 10 mm. Elle est de préférence comprise entre 3 et 6 mm.
La couche de maintien 26 est formée d'une nappe de fibres céramiques, notamment de fibres de céramique longues associées préférablement à un liant organique et / ou inorganique.
Le liant organique est utile uniquement lors de la mise en place de la couche de maintien autour du tube interne; il se consume lors de la première montée en température du conduit d'échappement sur le véhicule. Ce liant représente de 0 à 15 % en masse de la couche de maintien neuve.
Le liant inorganique est utilisé lorsqu'il est nécessaire d'assurer une meilleure cohésion entre les fibres lors du fonctionnement du véhicule et ne doit donc pas se consumer. Ce liant représente de 0 à 10 % en masse de la couche de maintien hors liant organique.
Ainsi, en configuration de fonctionnement, les fibres céramiques représentent 90 à 100 % en poids de la couche de maintien, le reste éventuel étant le liant inorganique.
Les fibres de céramique présentes dans la couche de maintien 26 sont sélectionnées dans le groupe consistant en des fibres de silice, des fibres d'alumine, des fibres de zirconium, des fibres d'alumine borosilicate et un mélange de celles-ci. Les nappes peuvent être aiguilletées, ce qui permet d'améliorer leur tenue dans le temps.
De préférence, les fibres utilisées sont des fibres de mullite asso- ciant alumine et silice dans un rapport respectivement de 72 % et 28 %.
La densité du matériau constituant la couche de maintien est comprise entre 500 g/m2 et 3000 g/m2.
Cette couche de maintien 26 doit assurer le maintien du tube in-terne 22 dans le tube externe 24 quelles que soient les conditions de fonc-30 tionnement.
En fonction des caractéristiques du tube interne en céramique et de la nature de la couche de maintien (masse, surface de contact avec la couche de maintien), de l'accélération maximale à laquelle il est soumise et du flux et de la pression maximaux des gaz d'échappement, la pression minimale à appliquer pour maintenir ledit tube interne dans le tube métallique est déterminée. Cette pression minimale prend en compte, en plus des sollicitations mentionnées ci dessus, un facteur correctif spécifique du compor- terrent en fonctionnement du tube interne céramique et de la couche de maintien. Un coefficient de frottement intervient dans ce facteur correctif. En fonction du matériau constituant les tubes interne et externe, le matériau constituant la couche de maintien est choisi de sorte que le coefficient de frottement de la couche amortisseur contre les surfaces des tubes interne et externe est compris entre 0,15 et 0,7. La pression minimale de maintien est comprise entre 10-4 et 10-1 MPa et de préférence entre 10"3 MPa et 5.10-2 MPa.
La valeur de 10-3 MPa correspond à un tube interne de 100 grammes ayant une surface de contact de 40 dm2 avec la couche de main- tien soumis à une accélération de 10g et une perte de charge de 100Pa. Cette perte de charge est induite par le frottement des gaz contre la paroi du tube interne. La valeur de 5.10"2 MPa correspond à un tube interne de 200 grammes ayant une surface de contact de 20 dm2 avec la couche de main- tien et soumis à une accélération de 40g et une perte de charge de 250Pa.
On a constaté que, en fonction du type de nappe choisi pour constituer la couche de maintien 26, il est nécessaire, d'une part d'empêcher la destruction des fibres constituant la nappe et d'autre part d'éviter d'endommager le tube interne en composite à matrice inorganique. Pour cela, il est primordial de ne pas dépasser une certaine pression exercée sur le tube interne et donc une certaine compression de la nappe: cette pression maxi- male est comprise entre 0,1 et 1 MPa et de préférence entre 0,3 et 0,7 MPa.
La GBD (Gap Bulk Density) est le rapport entre la densité en kilo-grammes par mètre carré de la nappe choisie pour constituer la couche de maintien et le jeu en millimètres entre les tubes externe et interne. La densi- té est une caractéristique propre à la nappe. Dans le cadre de l'invention, la valeur du jeu entre les tubes externe et interne est dictée notamment par les contraintes de forme de l'élément de ligne d'échappement. La plage de GBD utilisable est comprise entre 0,1 et 0,6. Lla valeur minimale est donnée pour éviter la détérioration des fibres par les vibrations, la valeur maximale est donnée pour éviter la détérioration des fibres par la compression.
La relation entre la GBD et la pression P exercée sur le tube in-terne par la couche de maintien est donnée, pour une nappe constituée de fibres céramique longues, par une équation du type P = A. (GBD)3 + B. (GBD)2 + C (GBD) + D. Lors du choix d'une nappe de densité donnée destinée à assurer le maintien du tube interne séparé du tube externe par un jeu donné, on s'assure que la pression exercée sera supérieure à la pression minimale de maintien et inférieure à la pression maximale supportée par les fibres et le tube interne. Il faut encore pour cela tenir compte du fait que, en cours d'utilisation, le jeu entre le tube interne et le tube externe peut varier de plus ou moins 1 mm en raison de la dilatation différentielle entre le tube interne et le tube externe.
Ainsi, pour une couche de maintien 26 formée à partir d'une nappe constituées de fibres céramiques longues de densité de 900 g/m2, mise en place entre un tube interne (conduite composite de 200 grammes ayant une surface de contact de 20 dm2 avec la nappe de maintien et sou-mise à une accélération de 40g) et un tube externe séparés par un jeu mi- nimum de 3 mm, la GBD est de 0,3. La pression de maintien exercée par la nappe sur le tube interne en composite à matrice céramique est alors, pour le type de nappe choisi, de 0,2 MPa. Cette GBD de 0,3 est bien située dans la plage de GBD conseillée.Cette pression est supérieure à la pression minimale de maintien calculée pour cette application (5.10-2 MPa) et inférieure à la tenue mécanique du tube interne.
Le jeu maximum pour cette même application est de 4,25 mm, correspondant à une GBD de 0,22 et une pression de maintien de 6.10-2 MPa. La GBD reste dans la plage d'utilisation de la nappe et la pression in-duite reste supérieure à la pression minimale de maintien.
On constate qu'avec un tel conduit d'échappement, le matériau de maintien assure correctement la maintien du tube interne en composite à matrice inorganique dans le tube externe en métal quelle que soit la température de la ligne d'échappement et les conditions de flux gazeux et d'accélération auxquelles est soumis le tube interne sans se détériorer ni endommager le tube interne.
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Claims (17)
1.- Conduit d'échappement (20) comportant, disposés de manière concentrique: - un tube interne en composite à matrice inorganique (22) ; 5 - un tube externe métallique (24) ; - une couche de maintien (26) d'un matériau fibreux, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de maintien (26) est comprise entre 2 mm et 10 mm, et de préférence entre 3 mm et 6 mm, et en ce que la pression de maintien minimale exercée par la couche de maintien (26) sur le tube interne (22) est comprise entre 104 MPa et 10-1 MPa.
2.- Conduit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression de maintien minimale exercée par la couche de maintien (26) sur le tube interne (22) est comprise entre 10-3 MPa et 5.10"2 MPa.
3.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que le tube externe métallique (24) a une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 3 mm.
4.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube externe métallique (24) est choisi dans le groupe consistant en un tube d'acier, un tube d'aluminium et un tube de ti- tane.
5.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube externe (24) est formé de deux demicoquilles (27) en forme de gouttières assemblées par des joints longitudinaux (28).
6.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube interne en composite à matrice inorganique (22) a une épaisseur inférieure à 2 mm.
7.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube interne composite à matrice inorganique (22) comprend une matrice constituée par au moins un polymère inorganique.
8.- Conduit selon la revendication 7, caractérisé en ce que le poly-mère inorganique est un géopolymère à base d'aluminosilicate.
9.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube interne composite à matrice inorganique (22) comprend une matrice renforcée par des fibres, notamment à base de carbure de silicium (SiC), de carbone, de silice (SiO2), ou d'un fil métallique inoxydable résistant à des températures égales ou supérieures à 600 .
10.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de maintien (26) comprend une nappe de fibres de céramique.
11.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de maintien (26) comprend des fibres de céramique et un liant inorganique, la couche de maintien comprenant entre 90 % à 100 % en poids de fibres céramiques.
12.- Conduit selon la revendication 11, caractérisé en ce que les fibres céramiques sont des fibres sélectionnées dans le groupe consistant en des fibres de silice, de fibres d'alumine, de fibres de zirconium, de fibres d'alumine-borosilicate, et de mélanges de celles-ci.
13. Conduit selon la revendication 12, caractérisé en ce que les fibres contenues dans la couche de maintien (26) sont un mélange de fibres d'alumine et de fibres de silice dans un rapport de respectivement 72 et 28 %.
14.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que la GBD du matériau constituant la couche de maintien (26) est comprise entre 0,1 et 0,6.
15.- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité du matériau constituant la couche de main-tien (26) est comprise entre 500 g/m2 et 3000 g/m2.
16- Conduit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coefficient de frottement du matériau formant la couche de maintien (26) contre les surfaces des tubes interne (22) et externe (24) est compris entre 0,15 et 0,7.
17.- Collecteur d'échappement (10) comportant au moins un conduit 30 d'échappement (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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