WO2009080948A2 - Method of manufacturing an exhaust line element of a motor vehicle, and corresponding exhaust element - Google Patents

Method of manufacturing an exhaust line element of a motor vehicle, and corresponding exhaust element Download PDF

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WO2009080948A2
WO2009080948A2 PCT/FR2008/052215 FR2008052215W WO2009080948A2 WO 2009080948 A2 WO2009080948 A2 WO 2009080948A2 FR 2008052215 W FR2008052215 W FR 2008052215W WO 2009080948 A2 WO2009080948 A2 WO 2009080948A2
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composite
metal
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Michel Davidovics
Stéphane Londos
Vincent Leroy
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Faurecia Systemes D'echappement
Pyromeral Systems
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    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
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    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like

Definitions

  • the invention generally relates to the exhaust lines of a motor vehicle with a heat engine. More specifically, the invention relates in a first aspect to a method of manufacturing an exhaust line element located in the hot part between the engine and the catalytic converter, of the type comprising a metal carrier structure and a composite element.
  • US 2003/0106311 discloses such an element.
  • This element is an exhaust line collector.
  • the collector wall is formed of an outer metal shell and several inner layers of composite materials.
  • Such a collector is subjected to severe mechanical and thermal stresses.
  • the mechanical stresses come for example from vibrations and forces due to the operation of the motor vehicle.
  • the thermal stresses come from the temperature cycles experienced by the collector.
  • the exhaust gases passing through the collector pass indeed in a very short time from room temperature to a temperature that can reach 1000O or more.
  • the internal surface of the manifold is exposed to the exhaust gas, which may contain residual fuel, which may ultimately lead to corrosion problems.
  • the method of manufacture disclosed in US-20030106311 does not provide repeatedly, at a moderate cost, the exhaust line elements resistant in a satisfactory long-term thermomechanical stress and corrosion.
  • the invention aims to provide a manufacturing process for obtaining repeatedly, reliably and cheaply exhaust line elements with good performance in corrosion and resistance to thermomechanical stresses.
  • the invention relates to a manufacturing method of the aforementioned type, characterized in that it comprises the following steps:
  • a formable composite material composed of a fibrous textile reinforcement based on silicon carbide fiber (SiC) impregnated with a mixture reaction being in the form of an aqueous composition of alkali aluminosilicates.
  • SiC silicon carbide fiber
  • thermoformed composite member with fibrous reinforcement and an aluminosilicate oxide matrix by thermosetting at a temperature between 6OO and 180O, of the formed element obtained u in step 1 / ;
  • thermoformed composite element obtained in step 2 to transform the glass matrix by melting
  • the invention relates to an element of the exhaust system for a motor vehicle manufactured according to the method above.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an exhaust purification unit according to the invention.
  • FIGS. 2, 3 and 4 are schematic sectional representations of different embodiments of a portion of an exhaust head according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a turbocharger whose housing is according to the invention, in section in a plane perpendicular to the axis of the rotor, considered according to the incidence of arrows V of Figure 6;
  • FIG. 6 is an axial sectional view of the turbocharger of Figure 5.
  • FIG. 7 is a sectional view of a valve valve according to the invention.
  • the invention relates to a method of manufacturing an exhaust line element 1 comprising, as shown in FIG. 1, a carrier metal structure 2 and a composite element 4 intended to be placed in contact with the gas gases. 'exhaust.
  • the exhaust line element may be for example an exhaust valve cap, an exhaust manifold, a purification member exhaust gases of the type comprising a catalytic purification member and / or a particulate filter, a turbocharger, a 2 or 3 way valve, a connecting tube extending between two of the above elements, or a part of one of the items listed above.
  • the element may be a turbo compressor turbine casing or a turbo compressor turbine wheel.
  • the element can also be an interface cartridge between the wheel and the turbocharger housing.
  • the element may also be a valve or a valve body, a SCR type gas mixer (Selective Catalyst Reduction), a bypass duct of a turbo-compressor (waste trash conduit) or a recycling duct. exhaust gas (so-called EGR duct: Exhaust Gas Recirculation).
  • the exhaust line element will be located in the hot part of the line, that is to say between the engine and the last catalytic purification unit of the line.
  • the manufacturing method comprises at least the following steps: 1 / shaping, for example in a mold, of a formable composite material composed of a reinforcement based on silicon carbide fiber (SiC) impregnated with a reaction mixture in the form of an aqueous composition of alkali aluminosilicates;
  • thermoformed composite member with fibrous reinforcement and aluminosilicate oxide matrix by thermosetting in the mold at a low temperature, that is to say a temperature of between 6OO and 180O, of the formed element obtained in step 1 /; demolding of the thermoformed composite element which has thus acquired its final shape.
  • the heat-treated composite elements are composite fiber-reinforced composite parts of silicon carbide fibers having particular alkaline aluminosilicate compositions as their matrix.
  • These thermoformed parts at low temperature in step 2 / have structural mechanical characteristics at high temperature substantially and durably improved through heat treatment performed in step 3 / in a suitable cycle, and temperatures at least greater than their vitrification temperature is generally more than 600 ° C.
  • This result is obtained ns be obliged to keep the parts in their mold, or to exert pressure or depression to keep their shape and dimensions during and after the heat treatment. Thanks to this process, it is thus possible to easily prepare composite parts with high SiC fiber content, ranging from 25% to 75% by weight of the formed part and glass matrix.
  • the Prepreg PyroSic formable composite material of Pyroeral Systems composed of a reinforcement based on silicon carbide fiber (SiC) impregnated with a reaction mixture in the form of an aqueous composition of Alkali aluminosilicates are shaped in step 1 /, most often by placing it in or against a mold or by passing it through a forming tool. Then it is thermo-hardened in step 2 /, this thermo-hardening being carried out at low temperature, preferably between 60 0 C and 180O, advantageously under vacuum and / or under pressure, in or against the mold or the tool of forming.
  • step 2 / the formed element thus obtained is removed from the mold of the forming tool, or the shaped holding support, and then to step 3 / placed immediately or after cooling. in an oven and carried gradually stepwise to a temperature where the matrix is transformed into glass generally around 800 0 C and for a few hours.
  • This post-firing and vitrification phase can be broken down into several operations to adapt the process to the equipment and rates desired.
  • the formed element is then cooled in or out of the oven, controlled or not depending on the nature of the matrix.
  • the process of the invention is remarkable in that, surprisingly, the matrix sufficiently holds the fibrous reinforcement to prevent it from deforming even at the vitreous transformation temperature of the matrix.
  • the vitreous matrix heated composite element thus obtained may be subject to all the additional operations to make it fit to perform its function. It can be post-processed to give it special qualities. It can be deburred, machined, provided with fasteners, fasteners, or protection elements according to generally known techniques.
  • the invention makes it easy to obtain a glass-matrix composite element by dispensing with the need for densification of the matrix by high temperature pressure in a mold.
  • the formed composite member is then integrated into a carrier metal structure in step 4 / to form the exhaust line member.
  • the metal structure is attached to the composite element by overmolding, after thermosetting or after vitrification.
  • the metal structure may not be overmolded but simply mounted on the composite element, after heat-hardening or vitrification, by conventional mechanical connection means.
  • the metal structure can thus be connected to the composite element by shims, by pressure, by positive fastening means such as screws, etc.
  • the formable composite material of step 1 will preferably be in the form of pre-impregnated textiles, such as fabrics, felts, knits or braids.
  • the fibrous textile reinforcement component will preferably comprise at least 95% of silicon carbide fiber (SiC).
  • the fibrous textile reinforcement will preferably represent between 25% and 75% by weight of the formable composite material.
  • the weight of the fibrous textile reinforcement represents between 25% and 70% by weight of said dehydrated formable composite material.
  • the impregnation of the fibrous textile reinforcement is carried out before shaping the fibrous reinforcement or in the mold used to perform step 1 /.
  • the fibrous reinforcement comprises silicon carbide fibers with a diameter of between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the impregnation is carried out with a reaction mixture of alkaline aluminosilicates with a pH greater than 11.
  • the formable composite material is shaped in step 1 /, according to techniques known in the composite materials industry, such as that not only compression molding in open or closed mold, or between rolls in continuous, laminar layering folds superimposed under vacuum or not, autoclave or not, the filament winding or strip, pultrusion, the extrusion, injection, transfer molding, infusion, infiltration or injection of the reaction mixture, casting with or without vibration, etc.
  • step 1 / of shaping is carried out by a molding technique chosen from the group comprising open or closed mold compression, or between continuous rolls, laminar draping by folds superimposed in a mold, under vacuum or not, filament winding or strips, pultrusion, extrusion, injection, injection-transfer molding or resin injection.
  • a molding technique chosen from the group comprising open or closed mold compression, or between continuous rolls, laminar draping by folds superimposed in a mold, under vacuum or not, filament winding or strips, pultrusion, extrusion, injection, injection-transfer molding or resin injection.
  • one or more of the shaping techniques may be necessary for the formation of a formed element. This may be useful for inserting reinforcements, fasteners or insulating materials, for example.
  • the hardening of the matrix is carried out in step 2 / by the heat, during or after shaping of the formable composite material, between 4OO and 350O and preferably between 600 and 180O, at pressures ranging from atmospheric to 100.degree. at the usual pressure levels for converting high performance composite materials, for example to 35 bars in an autoclave or much more (for example 1500 bars) if pressing is used, optionally under vacuum down to -1 bar, or under vacuum and simultaneous pressure.
  • step 2 / heat-hardening is carried out in an autoclave under a pressure of 5 to 35 bar under vacuum or not.
  • the matrix at this stage after curing, is composed in a proportion of 80 to 99.5% of its weight by a structure of alkaline aluminosilicate oxides
  • the formed element is cooled and removed from the mold at the end of step 2 /, or more generally of its forming medium, because it has acquired at this stage its final shape. It is then subjected to step 3 / heat treatment to wear gradually in one or more operations and step by step to the melting temperature of the matrix to form the glass, this without it being necessary to contain it or maintain in shape and without of course exert pressure to densify the matrix during processing.
  • the Applicant has found, in fact, with surprise that the composition of the matrix makes it possible to obtain, by melting, a remarkable density of the matrix.
  • the melting temperature of the matrix is preferably between
  • the vitrification treatment can be done optionally in a non-oxidizing controlled atmosphere.
  • the total duration of the heat treatment cycle can vary from 15 minutes to more than 24 hours.
  • the thermoformed composite element is heated in step 3 / at a temperature between 600O and 1500O.
  • the heat-treated composite element formed after vitrification can be subjected to various post-treatments, possibly at high temperatures, such as by liquid or gaseous infiltration or solid, liquid or gaseous deposition, paint, coating, enameling or any other surface treatment.
  • the thermally formed composite element is contained, held or supported by a mold or a support constituting a negative of the part formed on less than 20% of its non-planar surface. .
  • step 4 is made by first manufacturing the enveloping and carrying metal structure, by molding, machining, stamping or any other appropriate method. Then, the composite element heat treated and the carrier metal structure are assembled to each other. The assembly is carried out by any appropriate means.
  • the carrier metal structure and the heat-treated composite element are fixed to each other by screws.
  • the carrier metal structure may comprise two half-shells, the heat-treated composite element being locked between the two half-shells.
  • the metallic support structure is cast directly around the thermally treated composite element.
  • the heat-treated composite element forms a molding core disposed within the mold in which the metal for forming a carrier structure is cast.
  • the metal bearing structure When the metal bearing structure is mechanically welded, it is made of stainless steel, inconel, titanium, aluminum sheet or aluminum. When the carrier metal structure is molded, it is typically made of aluminum or cast iron.
  • FIG. 1 illustrates a first example of an exhaust line element that can be manufactured by the method described above.
  • Element 1 is an exhaust gas purification unit.
  • the member 1 comprises an outer metal casing 2 and an inner duct 4 of composite material.
  • the outer casing 2 is the carrier metal structure. It delimits an internal volume 6 and defines an exhaust gas inlet 8 and an exhaust gas outlet.
  • the inlet 8 is intended to be connected to the exhaust manifold.
  • the outlet 10 is intended to be connected to the release cannula in the purified exhaust gas atmosphere.
  • the outer casing 2 comprises an inlet cone 12, an outlet cone 14 and a cylindrical shell 16 connecting the inlet and outlet cones.
  • the inlet cone 12 widens from the inlet 8 to a longitudinal end of the ferrule 6.
  • the exit cone 14 widens from the outlet 10 to the opposite end of the ferrule 16.
  • the thermally treated composite element obtained according to the method described above is the internal conduit 4. It is placed in the internal volume 6. It defines an exhaust gas flow path from the inlet 8 to the at the exit 10.
  • the internal conduit 4 has a shape similar to that of the outer casing 2. Thus, it has an inlet port 18, an inlet cone 20, a shell 22, an outlet cone 24 and an outlet port 26.
  • the inlet orifice 18 is engaged in the inlet 8. Sealing means may be interposed between the portion of the duct 4 delimiting the inlet orifice 18 and the portion of the envelope 2 delimiting the inlet 8 .
  • the outlet orifice 26 is engaged in the outlet 10. Sealing means can be interposed between the portion of the duct 4 delimiting the orifice 26 and the portion of the casing 2 delimiting the outlet 10.
  • the inlet cone 20, the ferrule 22 and the outlet cone 4 extend respectively opposite the cone 12, the ferrule 14 and the cone 16.
  • an outer face 28 of the inner conduit 4 is plated substantially in all points against an inner face 30 of the outer casing.
  • the outer casing 2 is pressed against the duct 4, the gap between the casing 2 and the duct 4 being practically zero.
  • the element 1 comprises an air gap 32 between the outer surface 28 of the inner conduit and the inner surface 30 of the outer casing.
  • the air gap 32 has a substantially constant thickness.
  • the spacing between the inner pipe 4 and the outer shell 2 is controlled by means of wedges 34 interposed between the casing 2 and the duct 4, in the air knife 32.
  • the wedges 34 are typically annular wedges surrounding the duct 4. They consist for example of elastic or intumescent fibers, so as to compensate for the difference in thermal expansion between the metal casing 2 and the composite element 4.
  • the air knife 32 forms an insulation layer thermal between the inner pipe 4 and the outer metal shell 2.
  • the element 1 has a space 32 between the surface 28 of the inner conduit and the surface 30 of the outer envelope, this space being filled by a layer of a thermal insulating material.
  • This material may for example be an airgel or a porous ceramic.
  • this material has thermal insulation performance superior to that of the inner conduit 4.
  • the air space can be obtained by placing around the duct, during the casting of the metal, a wax core or in sand or any other suitable material. This core is removed through the inlet or outlet after cooling the part, leaving a blade of air at the desired locations.
  • the element 1 has a space 32 between the inner pipe 4 and the outer shell 2, and comprises in this space a mat of insulating fibers on the side of the inner pipe, and a fiber fabric. Ceramics having a very low wettability to liquid aluminum on the side of the outer casing.
  • the insulating fiber mattress covers substantially the entire surface 28. Preferably, it has thermal insulation performance greater than that of the internal pipe 4.
  • the ceramic fiber fabric substantially covers the entire insulation fiber mat. It makes it possible to directly cast the aluminum constituting the outer shell 2 on the ceramic fiber fabric, and thus plays the role of a foundry core.
  • the metallic support structure is made of aluminum or aluminum alloy, the exhaust element having against an inner surface of the metallic support structure a fabric of ceramic fibers having a very low wettability to aluminum. liquid.
  • the metallic support structure is made of cast iron, the exhaust element having against an inner surface of the metallic support structure a fabric of ceramic fibers having a very low wettability to the molten iron.
  • the purifying member 1 comprises a catalytic purification member 35 and a particulate filter 35 'deposited in the inner duct 4.
  • the member 35 and the filter 35' are typically ceramic monoliths, occupying the entire section of the duct 4 so that the exhaust gases are forced to pass through them.
  • the inner conduit 4 is made of a material having a low coefficient of thermal expansion, the member 35 and the filter 35 'are in direct contact with the inner surface of the conduit 4. It is not necessary to provide a sheet of elastic or intumescent fibers between the member 35 or the filter 35 'of a on the other hand, and the duct 4, in order to compensate for the differences in thermal expansion.
  • FIGS. 2 to 4 A second example of an exhaust line element that can be manufactured by the process described above is illustrated in FIGS. 2 to 4.
  • This element 50 is an exhaust valve chapel, intended to be integrated. in the cylinder head of the engine.
  • the enveloping and carrying metal structure 50 is a massive cast aluminum piece. Channels 52 for cooling by circulation of water are formed in the metal structure 50.
  • several exhaust passages 54 are formed in the metal structure. Each passage is provided to be connected at one end 56 to a combustion chamber of the engine and at the opposite end 58 to an inlet of an exhaust manifold. The end 56 is provided to be selectively closed to an exhaust valve 60.
  • the part 50 also comprises several inserts 62, which are thermally treated composite elements obtained by the method described above.
  • the inserts 62 liner passages 54 over part of the length thereof. They thus delimit the passages 54 over part of their length.
  • the inserts 62 may, in a first embodiment not shown, be plated directly on the metal structure 50.
  • an air gap may be formed between the insert 62 and the metal structure 50 over most of the surface of the insert 62.
  • the element The insert 62 rests on the bearing areas 66 which hold it in position relative to the metal element 50.
  • a space is provided between the insert 62 and the metal structure 50 over most of the surface of the insert 62.
  • This space is filled with a thermally insulating material such as an airgel 68 or a porous ceramic.
  • a space is provided between the insert 62 and the metal structure 50 over most of the surface of the insert 62, this space being filled by a sheet of insulating fibers, covered with a fabric of ceramic fibers having a very low wettability to liquid aluminum.
  • the layer of insulating fibers covers the insert 62.
  • the ceramic fiber fabric makes it possible to directly cast aluminum forming the metal structure 50 on the sheet of insulating fibers.
  • FIGS. 5 and 6 A third example of an exhaust line element that can be manufactured using the method described above is illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • This element is a turbo compressor casing 74.
  • the turbo compressor 76 comprises a rotor 78 capable of being rotated by the exhaust gases, an axle 80 integral with the rotor, a solid piece 82 forming a guide bearing of the axis 80, the housing 74 being rigidly fixed to the solid piece 82.
  • the housing 74 defines with the solid piece 82 a volute 84 within which is placed the rotor 78.
  • the housing defines an exhaust outlet 86 , substantially coaxial with the axis 80.
  • the housing further defines an inlet 85 of exhaust gas, located at the periphery of the volute 84 and oriented tangentially relative to the rotor.
  • the exhaust gases enter the volute 84 through the inlet 85 located at the periphery of said volute, rotate the rotor 78 and exit the volute through the outlet 86.
  • the casing 74 has a crown shape. It comprises an outer metal casing 88 rigidly fixed to the solid piece 82, for example by welding, and defining the exhaust gas inlet 85 and the exhaust gas outlet 86.
  • the carrier metal structure is here the outer envelope.
  • the casing comprises an inner composite casing 90 internally defining the volute 84.
  • the heat-treated composite element obtained according to the method described above forms the inner casing 90.
  • the inner casing 90 is in contact with the casings. exhaust gas. It comprises an inlet orifice 92 engaged in the inlet 85 of the outer casing and an outlet orifice 94 engaged in the outlet 86 of the outer casing.
  • the inner casing 90 has substantially the same shape as the outer casing and extends facing it over substantially the entire surface of said outer casing. It therefore constitutes a heat shield between the exhaust gas and the outer metal shell.
  • the inner casing 90 can be pressed directly against an inner face of the outer casing, or an air knife can be provided between the inner and outer shells, or a thermally insulating material may be interposed between the inner and outer shells, a ceramic fiber fabric having a very low wettability liquid aluminum covering optionally the thermally insulating material.
  • FIG. 7 Another exhaust line element that can be manufactured according to the method described above is illustrated in FIG. 7. This element is a valve of a valve disposed on the exhaust line. This valve is for example a three-way valve capable of selectively directing the exhaust gases towards a bypass line of the purification unit shown in FIG. 1. The valve may also be designed to direct the exhaust gases selectively towards an exhaust gas recirculation line for heating the combustion chamber supply air (so-called EGR valve).
  • This valve 96 is disposed in the valve body and is in contact with the exhaust gas.
  • the valve includes an axle 98 pivotable relative to the valve body, and an element 100 for selectively closing an opening in the valve.
  • the axis and the closure member are formed by a thermally treated composite member obtained according to the above method.
  • the forces exerted by the valve are taken up by the metal valve body, which is here the supporting structure.
  • the valve body is for example made of cast iron. If necessary, it is possible to provide that the axis 98 comprises a metal core 102, covered by the heat-treated composite material.
  • the best dimensional characteristics and the low thermal inertia of the valve make it possible to obtain a better seal and a better thermal stability in time and in temperature compared to a metallic valve.
  • valve body with a metal carrying outer shell and a thermally treated composite inner shell, as in FIG.
  • Example 1 According to the methods known to those skilled in the art, an inner mold of an exhaust manifold is made from a destructible material (aquacore for example).
  • Pieces of prepreg Prepreg PyroSiC Opp 4686 fabric sold by the company Pyromeral Systems are cut according to templates.
  • the cut pieces are placed together on the surface of the inner mold so as to have 4 thicknesses of material on the entire surface of the inner mold.
  • test specimen is made on a plate. Place the mold-specimen-piece assembly in a vacuum cover and evacuate.
  • the mold-specimen-test piece is placed under vacuum in an autoclave.
  • thermosetting is carried out in an autoclave at a pressure of 6 bar
  • thermo-hardened part is demolded by dissolving the aquacore.
  • the piece is placed in an oven and the heat treatment is carried out stepwise up to 750 ° C.
  • the heat-treated part is taken out of the oven.
  • the transformation of the matrix can be seen at the microscope.
  • the piece is 0.8 mm thick. Its dimensions correspond to those of the plan used to make the mold. There is no apparent deformation.
  • test specimens for long-term temperature tests are carried out. These specimens are deposited in an enclosure maintained at 1050O, for 250 hours, and are exposed to a flow of gas flowing at 100m / s.
  • the gas has the following composition: 0.5% O 2, 12% H 2 O, CO2 and N 2 . After 250 hours, the test pieces have a tensile strength greater than 50 MPa.
  • the manufacturing method described above has many advantages. It makes it possible to manufacture in a repetitive, reliable and economic way elements of exhaust line having a very low thermal inertia, because they comprise a composite element forming a heat shield between the metal structure and the exhaust gas.
  • the thermal inertia of such elements is much lower than that of foundry parts and even that of mechanically welded parts.
  • These elements may comprise, if necessary, a thermal insulation between the heated composite element and the metallic support structure, for example an air gap, an insulation layer of ceramic fibers, an airgel, a microporous element, etc.
  • a thermal insulation between the heated composite element and the metallic support structure for example an air gap, an insulation layer of ceramic fibers, an airgel, a microporous element, etc.
  • the exhaust line elements obtained according to the process have a better dimensional stability in temperature, in particular beyond 1050O, than the mechanically welded parts or even the foundry parts. Due to the decoupling between the mechanical strength, conferred by the metal carrying structure, and the thermal resistance, conferred by the heated composite element, the exhaust line elements have excellent thermomechanical behavior beyond 1000 0 C .
  • the exhaust line elements of the invention have a low mass compared to castings and even to mechanically welded parts.
  • the method of the invention makes it possible to obtain thermally treated composite elements having a thermal conductivity of less than 4 W / mK.
  • Their coefficient of thermal expansion is less than 1 E-5 and is for example 5E-6m / mK.
  • the density of the heated composite element is less than 3 g / cm 3 .
  • the tensile strength is greater than 80 MPa in a temperature range of -40 ° C. to 500 ° C., and is greater than 20 MPa up to 1050 ° C. This resistance is measured on three-point folded samples having a thickness from 0.8 to 1.5mm.
  • the formed composite element has satisfactory thermal shock resistance.
  • the composite heated member is capable of withstanding exposure to a flow of gas flowing at 100m / s to 1050O, having the following composition: 0.5% O 2 , 12% H 2 O, CO 2 and N 2 , or still at a flow of gas at 900O of composition 5% O 2 , 12% H 2 O, CO 2 and N 2 . No significant degradation should be observed after 250 hours.
  • the material is able to withstand the chemical attack of gasoline, diesel, engine oil, and is compatible from the point of view of high temperature corrosion with steel.
  • the thermally treated composite element obtained according to the method described above has the same temperature resistance as ceramic materials of the type used in aeronautics.
  • the thermally treated composite element may comprise 4 layers of fibrous reinforcements, as indicated above. It may also comprise less than four layers, for example only one, or more than four layers, five, six, seven, eight or more than eight layers. After heat treatment, the total thickness of the composite element may have a thickness of between 0.2 and 2 mm.

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Abstract

The present invention relates to a method of manufacturing an exhaust line element of a motor vehicle having an internal combustion engine, for use between the engine and the catalytic converter, the method comprising the following steps: 1/ shaping a shapeable composite material composed of a textile fibrous reinforcement based on silicon carbide (SiC) fibre impregnated with a reaction mixture taking the form of an aqueous composition of alkaline aluminosilicates; 2/ obtaining a thermoformed composite element with a fibrous reinforcement and with a matrix of aluminosilicate oxides by thermosetting, at a temperature of between 60° and 180°, the shaped element obtained in step 1/; 3/ heat-treating at above 600° the thermoformed composite element obtained in step 2/ in order to convert the matrix into glass by melting; 4/ producing a metal carrier structure connected to the heat-treated composite element obtained in step 3/, the heat-treated composite element being intended to be in contact with the exhaust gases.

Description

Procédé de fabrication d'un élément de ligne d'échappement de véhicule automobile et élément d'échappement correspondant Method of manufacturing a motor vehicle exhaust line element and corresponding exhaust element
L'invention concerne en général les lignes d'échappement de véhicule automobile à moteur thermique. Plus précisément, l'invention concerne selon un premier aspect un procédé de fabrication d'un élément de ligne d'échappement se situant en partie chaude entre le moteur et le pot catalytique, du type comportant une structure métallique porteuse et un élément composite.The invention generally relates to the exhaust lines of a motor vehicle with a heat engine. More specifically, the invention relates in a first aspect to a method of manufacturing an exhaust line element located in the hot part between the engine and the catalytic converter, of the type comprising a metal carrier structure and a composite element.
US 2003/0106311 décrit un tel élément. Cet élément est un collecteur de Ii- gne d'échappement. La paroi du collecteur est formée d'une coque métallique externe et de plusieurs couches internes en matériaux composites.US 2003/0106311 discloses such an element. This element is an exhaust line collector. The collector wall is formed of an outer metal shell and several inner layers of composite materials.
Un tel collecteur est soumis à des contraintes mécaniques et thermiques sévères. Les contraintes mécaniques proviennent par exemple des vibrations et des efforts dus au fonctionnement du véhicule automobile. Les contraintes thermi- ques proviennent des cycles de température subis par le collecteur. Les gaz d'échappement traversant le collecteur passent en effet dans un très court laps de temps de la température ambiante à une température qui peut atteindre 1000O ou plus. Par ailleurs, la surface interne du collecteur est exposée aux gaz d'échappement, qui peuvent contenir du carburant résiduel, ce qui peut entraîner à terme des problèmes de corrosion.Such a collector is subjected to severe mechanical and thermal stresses. The mechanical stresses come for example from vibrations and forces due to the operation of the motor vehicle. The thermal stresses come from the temperature cycles experienced by the collector. The exhaust gases passing through the collector pass indeed in a very short time from room temperature to a temperature that can reach 1000O or more. Furthermore, the internal surface of the manifold is exposed to the exhaust gas, which may contain residual fuel, which may ultimately lead to corrosion problems.
La méthode de fabrication exposée dans US-20030106311 ne permet pas d'obtenir de manière répétée, à un coût modéré, des éléments de ligne d'échappement résistant de manière satisfaisante à long terme aux contraintes thermomécaniques et à la corrosion. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un procédé de fabrication permettant d'obtenir de manière répétée, fiable et moins coûteuse des éléments de ligne d'échappement offrant de bonnes performances en corrosion et en résistance aux contraintes thermomécaniques.The method of manufacture disclosed in US-20030106311 does not provide repeatedly, at a moderate cost, the exhaust line elements resistant in a satisfactory long-term thermomechanical stress and corrosion. In this context, the invention aims to provide a manufacturing process for obtaining repeatedly, reliably and cheaply exhaust line elements with good performance in corrosion and resistance to thermomechanical stresses.
A cette fin, l'invention porte sur un procédé de fabrication du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :To this end, the invention relates to a manufacturing method of the aforementioned type, characterized in that it comprises the following steps:
1/ mise en forme d'un matériau composite formable, composé d'un renfort fibreux textile à base de fibre de carbure de silicium (SiC) imprégné d'un mélange réactionnel se présentant sous la forme d'une composition aqueuse d'aluminosilicates alcalins.1 / forming a formable composite material composed of a fibrous textile reinforcement based on silicon carbide fiber (SiC) impregnated with a mixture reaction being in the form of an aqueous composition of alkali aluminosilicates.
2/ obtention d'un élément composite thermo-formé à renfort fibreux et à matrice d'oxydes aluminosilicates, par thermo-durcissement à une température com- prise entre 6OO et 180O, de l'élément formé obten u à l'étape 1/ ;2 / obtaining a thermoformed composite member with fibrous reinforcement and an aluminosilicate oxide matrix, by thermosetting at a temperature between 6OO and 180O, of the formed element obtained u in step 1 / ;
3/ traitement thermique à plus de 600O de l'élément composite thermoformé obtenu à l'étape 2/ pour transformer la matrice en verre par fusion ;3 / thermal treatment with more than 600O of the thermoformed composite element obtained in step 2 / to transform the glass matrix by melting;
4/ réalisation d'une structure métallique liée à l'élément composite traité thermiquement obtenu à l'étape 3/, l'élément composite traité thermiquement étant destiné à être en contact avec les gaz d'échappement.4 / realization of a metal structure connected to the thermally treated composite element obtained in step 3 /, the heat-treated composite element being intended to be in contact with the exhaust gas.
Selon un second aspect, l'invention porte sur un élément de la ligne d'échappement pour véhicule automobile fabriqué selon le procédé ci-dessus.According to a second aspect, the invention relates to an element of the exhaust system for a motor vehicle manufactured according to the method above.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limita- tif, en référence aux Figures annexées, parmi lesquelles :Other features and advantages of the invention will emerge from the detailed description given below, by way of indication and in no way limitative, with reference to the appended figures, among which:
- la Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un organe de purification des gaz d'échappement conforme à l'invention ;- Figure 1 is a longitudinal sectional view of an exhaust purification unit according to the invention;
- les Figures 2, 3 et 4 sont des représentations schématiques en coupe de différentes variantes de réalisation d'une partie d'une culasse d'échappement conforme à l'invention ;- Figures 2, 3 and 4 are schematic sectional representations of different embodiments of a portion of an exhaust head according to the invention;
- la Figure 5 est une représentation schématique d'un turbocompresseur dont le carter est conforme à l'invention, en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor, considéré selon l'incidence des flèches V de la figure 6 ;- Figure 5 is a schematic representation of a turbocharger whose housing is according to the invention, in section in a plane perpendicular to the axis of the rotor, considered according to the incidence of arrows V of Figure 6;
- La figure 6 est une vue en coupe axiale du turbocompresseur de la figure 5 ; et- Figure 6 is an axial sectional view of the turbocharger of Figure 5; and
- La figure 7 est une vue en coupe d'un clapet de vanne conforme à l'invention.- Figure 7 is a sectional view of a valve valve according to the invention.
L'invention porte sur un procédé de fabrication d'un élément de ligne d'échappement 1 comportant, comme le montre la Figure 1 , une structure métalli- que porteuse 2 et un élément composite 4 destiné à être placé en contact avec les gaz d'échappement.The invention relates to a method of manufacturing an exhaust line element 1 comprising, as shown in FIG. 1, a carrier metal structure 2 and a composite element 4 intended to be placed in contact with the gas gases. 'exhaust.
L'élément de ligne d'échappement peut être par exemple une chapelle de soupapes d'échappement, un collecteur d'échappement, un organe de purification des gaz d'échappement du type comprenant un organe de purification catalytique et/ou un filtre à particules, un turbocompresseur, une vanne 2 ou 3 voies, un tube de liaison s'étendant entre deux des éléments ci-dessus, ou une partie d'un des éléments listés ci-dessus. En particulier, l'élément peut être un carter de turbine de turbo-compresseur ou une roue de turbine de turbo-compresseur. L'élément peut être également une cartouche d'interface entre l a roue et le carter du turbocompresseur. L'élément peut encore être un clapet ou un corps de vanne, un mélangeur de gaz de type SCR (Sélective Catalyst Réduction), un conduit de bipasse d'un turbo-compresseur (conduit dit de waste gâte) ou un conduit de recyclage des gaz d'échappement (conduit dit EGR : Exhaust Gas Recirculation).The exhaust line element may be for example an exhaust valve cap, an exhaust manifold, a purification member exhaust gases of the type comprising a catalytic purification member and / or a particulate filter, a turbocharger, a 2 or 3 way valve, a connecting tube extending between two of the above elements, or a part of one of the items listed above. In particular, the element may be a turbo compressor turbine casing or a turbo compressor turbine wheel. The element can also be an interface cartridge between the wheel and the turbocharger housing. The element may also be a valve or a valve body, a SCR type gas mixer (Selective Catalyst Reduction), a bypass duct of a turbo-compressor (waste trash conduit) or a recycling duct. exhaust gas (so-called EGR duct: Exhaust Gas Recirculation).
De préférence, l'élément de ligne d'échappement sera situé dans la partie chaude de la ligne, c'est-à-dire entre le moteur et le dernier organe de purification catalytique de la ligne.Preferably, the exhaust line element will be located in the hot part of the line, that is to say between the engine and the last catalytic purification unit of the line.
Le procédé de fabrication comprend au moins les étapes suivantes : 1/ mise en forme, par exemple dans un moule, d'un matériau composite formable, composé d'un renfort à base de fibre de carbure de silicium (SiC) imprégné d'un mélange réactionnel se présentant sous la forme d'une composition aqueuse d'aluminosilicates alcalins ;The manufacturing method comprises at least the following steps: 1 / shaping, for example in a mold, of a formable composite material composed of a reinforcement based on silicon carbide fiber (SiC) impregnated with a reaction mixture in the form of an aqueous composition of alkali aluminosilicates;
2/ obtention d'un élément composite thermo-formé à renfort fibreux et à ma- trice d'oxydes aluminosilicates, par thermo-durcissement dans le moule à basse température, c'est-à-dire une température comprise entre 6OO et 180O, de l'élément formé obtenu à l'étape 1/ ; démoulage de l'élément composite thermoformé qui a ainsi acquis sa forme définitive.2 / obtaining a thermoformed composite member with fibrous reinforcement and aluminosilicate oxide matrix, by thermosetting in the mold at a low temperature, that is to say a temperature of between 6OO and 180O, of the formed element obtained in step 1 /; demolding of the thermoformed composite element which has thus acquired its final shape.
3/ traitement thermique à plus de 600O de l'élément composite thermo- formé obtenu à l'étape 2/ pour transformer la matrice en verre par fusion.3 / thermal treatment with more than 600O of the thermally formed composite element obtained in step 2 / to transform the glass matrix by melting.
4/ réalisation d'une structure métallique porteuse liée à l'élément composite formé obtenu à l'étape 3/.4 / realization of a metallic support structure linked to the formed composite element obtained in step 3 /.
Les éléments composites traités thermiquement sont des pièces en matériau composite à renfort fibreux de fibres de carbure de silicium ayant pour matrice des compositions particulières d'aluminosilicates alcalins. Ces pièces thermoformées à basse température à l'étape 2/ possèdent des caractéristiques mécaniques structurelles à haute température sensiblement et durablement améliorées grâce à un traitement thermique effectué à l'étape 3/ selon un cycle adapté, et à des températures au moins supérieures à leur température de vitrification soit généralement plus de 6000C. Ce résultat est obtenu sa ns être obligé de garder les pièces dans leur moule, ni d'exercer une pression ou dépression pour garder leur forme et leurs dimensions pendant et après le traitement thermique. Grâce à ce procédé, il est ainsi possible de préparer aisément des pièces en composite à fort taux de fibre SiC, allant de 25% à 75% en poids de la pièce formée et à matrice-verre. On peut réaliser ainsi des pièces à faible épaisseur, de formes complexe avec une bonne précision donc très peu de déformation, de dilatation ou de retrait par rapport au moule. Ces pièces présentent des caractéristi- ques mécaniques à hautes températures qui sont largement et durablement améliorées par rapport à celles obtenues avec un matériau sans les taux importants de fibre SiC et le traitement thermique 3/, ou obtenues avec un matériau ayant subi le traitement thermique mais sans l'utilisation de la fibre SiC.The heat-treated composite elements are composite fiber-reinforced composite parts of silicon carbide fibers having particular alkaline aluminosilicate compositions as their matrix. These thermoformed parts at low temperature in step 2 / have structural mechanical characteristics at high temperature substantially and durably improved through heat treatment performed in step 3 / in a suitable cycle, and temperatures at least greater than their vitrification temperature is generally more than 600 ° C. This result is obtained ns be obliged to keep the parts in their mold, or to exert pressure or depression to keep their shape and dimensions during and after the heat treatment. Thanks to this process, it is thus possible to easily prepare composite parts with high SiC fiber content, ranging from 25% to 75% by weight of the formed part and glass matrix. It is thus possible to produce parts of small thickness, of complex shapes with good precision, therefore very little deformation, expansion or shrinkage with respect to the mold. These parts have high temperature mechanical characteristics which are largely and durably improved over those obtained with a material without the high levels of SiC fiber and heat treatment 3 /, or obtained with a heat-treated material but without the use of SiC fiber.
Le matériau composite formable de type Prepreg PyroSic de la Société Py- romeral Systems, composé d'un renfort à base de fibre de carbure de silicium (SiC) imprégné d'un mélange réactionnel se présentant sous la forme d'une composition aqueuse d'aluminosilicates alcalins est mis en forme à l'étape 1/, le plus souvent en le plaçant dans ou contre un moule ou en le faisant passer dans un outil de formage. Puis il est thermo-durci à l'étape 2/, ce thermo-durcissement étant réalisé à basse température, préférentiellement entre 600C et 180O, avantageusement sous vide et/ou sous pression, dans ou contre le moule ou l'outil de formage.The Prepreg PyroSic formable composite material of Pyroeral Systems, composed of a reinforcement based on silicon carbide fiber (SiC) impregnated with a reaction mixture in the form of an aqueous composition of Alkali aluminosilicates are shaped in step 1 /, most often by placing it in or against a mold or by passing it through a forming tool. Then it is thermo-hardened in step 2 /, this thermo-hardening being carried out at low temperature, preferably between 60 0 C and 180O, advantageously under vacuum and / or under pressure, in or against the mold or the tool of forming.
A l'issue de l'étape 2/, l'élément formé ainsi obtenue est retiré du moule de l'outil de formage, ou du support de maintien en forme, puis à l'étape 3/ placé im- médiatement ou après refroidissement dans un four et portée progressivement par palier jusqu'à une température où la matrice se transforme en verre généralement aux alentours de 8000C et pendant quelques heures. Cette phase de post-cuisson et de vitrification peut être décomposée en plusieurs opérations pour adapter le procédé aux équipements et cadences souhaitées. L'élément formé est ensuite refroidi dans ou hors du four, de façon contrôlée ou non selon la nature de la matrice. Le procédé de l'invention est remarquable, en ce que, de façon surprenante, la matrice maintient suffisamment le renfort fibreux pour empêcher qu'il ne se déforme, même à la température de transformation vitreuse de la matrice.At the end of step 2 /, the formed element thus obtained is removed from the mold of the forming tool, or the shaped holding support, and then to step 3 / placed immediately or after cooling. in an oven and carried gradually stepwise to a temperature where the matrix is transformed into glass generally around 800 0 C and for a few hours. This post-firing and vitrification phase can be broken down into several operations to adapt the process to the equipment and rates desired. The formed element is then cooled in or out of the oven, controlled or not depending on the nature of the matrix. The process of the invention is remarkable in that, surprisingly, the matrix sufficiently holds the fibrous reinforcement to prevent it from deforming even at the vitreous transformation temperature of the matrix.
L'élément composite chauffé à matrice vitrifiée ainsi obtenu peut faire l'objet de toutes les opérations complémentaires pour la rendre propre à remplir sa fonction. Il peut être post-traité pour lui conférer des qualités particulières. Il peut être ébarbé, usiné, muni de fixations, attaches, ou éléments de protection selon les techniques généralement connues.The vitreous matrix heated composite element thus obtained may be subject to all the additional operations to make it fit to perform its function. It can be post-processed to give it special qualities. It can be deburred, machined, provided with fasteners, fasteners, or protection elements according to generally known techniques.
L'invention permet d'obtenir aisément un élément composite chauffé à ma- trice-verre en s'affranchissant des nécessités de densification de la matrice par pression à haute température dans un moule.The invention makes it easy to obtain a glass-matrix composite element by dispensing with the need for densification of the matrix by high temperature pressure in a mold.
L'élément composite formé est ensuite intégré à une structure métallique porteuse au cours de l'étape 4/ pour former l'élément de ligne d'échappement. Ceci permet de séparer dans l'élément de ligne d'échappement la fonction de ré- sistance à la chaleur des autres fonctions, telles que par exemple la protection contre les chocs ou l'environnement en général, ou les reprises d'efforts.The formed composite member is then integrated into a carrier metal structure in step 4 / to form the exhaust line member. This makes it possible to separate in the exhaust line element the heat resistance function of the other functions, such as, for example, the protection against shocks or the environment in general, or the reworking of forces.
La structure métallique est rapportée sur l'élément composite par surmoulage, après le thermo-durcissement ou après la vitrification. Alternativement, la structure métallique peut ne pas être surmoulée mais simplement montée sur l'élément composite, après thermo-durcissement ou vitrification, par des moyens de liaisons mécaniques classiques. La structure métallique peut ainsi être liée à l'élément composite par des cales, par pression, par des moyens de fixation positifs tels que des vis, etc. Le matériau composite formable de l'étape 1 se présentera préférentiellement sous forme de textiles pré-imprégnés, tels que des tissus, des feutres, des tricots ou encore des tresses. Le renfort textile fibreux le composant comprendra préférentiellement 95% au moins de fibre de carbure de silicium (SiC). Le renfort textile fibreux représentera préférentiellement entre 25% et 75% en poids du matériau composite formable. Par exemple, le poids du renfort textile fibreux représente entre 25% et 70% en poids dudit matériau composite formable déshydraté. L'imprégnation du renfort textile fibreux est réalisé avant la mise en forme du renfort fibreux ou dans le moule servant à réaliser l'étape 1/. Le renfort fibreux comprend des fibres de carbure de silicium, de diamètre compris entre 10 μm et 50 μm.The metal structure is attached to the composite element by overmolding, after thermosetting or after vitrification. Alternatively, the metal structure may not be overmolded but simply mounted on the composite element, after heat-hardening or vitrification, by conventional mechanical connection means. The metal structure can thus be connected to the composite element by shims, by pressure, by positive fastening means such as screws, etc. The formable composite material of step 1 will preferably be in the form of pre-impregnated textiles, such as fabrics, felts, knits or braids. The fibrous textile reinforcement component will preferably comprise at least 95% of silicon carbide fiber (SiC). The fibrous textile reinforcement will preferably represent between 25% and 75% by weight of the formable composite material. For example, the weight of the fibrous textile reinforcement represents between 25% and 70% by weight of said dehydrated formable composite material. The impregnation of the fibrous textile reinforcement is carried out before shaping the fibrous reinforcement or in the mold used to perform step 1 /. The fibrous reinforcement comprises silicon carbide fibers with a diameter of between 10 μm and 50 μm.
L'imprégnation est réalisée avec un mélange réactionnel d'alumino-silicates alcalins, de pH supérieur à 11. Le matériau composite formable est mis en forme à l'étape 1/, selon les techniques connues de l'industrie des matériaux composites, telles que non limita- tivement le moulage par compression en moule ouvert ou fermé, ou entre cylindres en continu, le drapage laminaire par plis superposés sous vide ou non, en autoclave ou non, l'enroulement filamentaire ou de bandelette, la pultrusion, l'extrusion, l'injection, le moulage par transfert, infusion, infiltration ou injection du mélange réactionnel, le moulage par coulée avec ou sans vibrations, etc....The impregnation is carried out with a reaction mixture of alkaline aluminosilicates with a pH greater than 11. The formable composite material is shaped in step 1 /, according to techniques known in the composite materials industry, such as that not only compression molding in open or closed mold, or between rolls in continuous, laminar layering folds superimposed under vacuum or not, autoclave or not, the filament winding or strip, pultrusion, the extrusion, injection, transfer molding, infusion, infiltration or injection of the reaction mixture, casting with or without vibration, etc.
Par exemple, l'étape 1/ de mise en forme est réalisée par une technique de moulage choisie dans le groupe comprenant la compression en moule ouvert ou fermé, ou entre cylindres en continu, le drapage laminaire par plis superposés dans un moule, sous vide ou non, l'enroulement filamentaire ou de bandelettes, la pultrusion, l'extrusion, l'injection, le moulage par transfert-infiltration ou injection de résine.For example, step 1 / of shaping is carried out by a molding technique chosen from the group comprising open or closed mold compression, or between continuous rolls, laminar draping by folds superimposed in a mold, under vacuum or not, filament winding or strips, pultrusion, extrusion, injection, injection-transfer molding or resin injection.
Plusieurs phases utilisant successivement ou parallèlement une ou plusieurs des techniques de mise en forme peuvent être nécessaires pour la confec- tion d'un élément formé. Ceci peut s'avérer utile pour insérer par exemple des renforts, des fixations ou des matériaux isolants.Several phases using successively or in parallel one or more of the shaping techniques may be necessary for the formation of a formed element. This may be useful for inserting reinforcements, fasteners or insulating materials, for example.
Le durcissement de la matrice se fait à l'étape 2/ par la chaleur, pendant ou après la mise en forme du matériau composite formable, entre 4OO et 350O et de préférence entre 6OO et 180O, à des pressions allant de l'atmosphérique jus- qu'aux niveaux de pressions habituelles pour la transformation des matériaux composites de hautes performances, par exemple à 35 bars en autoclave ou beaucoup plus (par exemple 1500 bars) si l'on utilise le pressage, optionnellement sous vide jusque -1 bar, ou sous vide et pression simultanée.The hardening of the matrix is carried out in step 2 / by the heat, during or after shaping of the formable composite material, between 4OO and 350O and preferably between 600 and 180O, at pressures ranging from atmospheric to 100.degree. at the usual pressure levels for converting high performance composite materials, for example to 35 bars in an autoclave or much more (for example 1500 bars) if pressing is used, optionally under vacuum down to -1 bar, or under vacuum and simultaneous pressure.
Par exemple, l'étape 2/ de thermo-durcissement est effectué en autoclave sous une pression de 5 à 35 bars sous vide ou non.For example, step 2 / heat-hardening is carried out in an autoclave under a pressure of 5 to 35 bar under vacuum or not.
La matrice à ce stade, après durcissement, est composée à raison de 80 à 99,5% de son poids par une structure d'oxydes aluminosilicates alcalins L'élément formé est refroidi et retiré du moule à l'issue de l'étape 2/, ou plus généralement de son support de formage, car il a acquis à ce stade sa forme définitive. Il est alors soumis à l'étape 3/ à un traitement thermique pour le porter progressivement en une ou plusieurs opérations et par paliers à la température de fusion de la matrice permettant de former le verre, ceci sans qu'il soit nécessaire de le contenir ou maintenir en forme et sans bien sûr exercer de pression pour densifier la matrice en cours de transformation.The matrix at this stage, after curing, is composed in a proportion of 80 to 99.5% of its weight by a structure of alkaline aluminosilicate oxides The formed element is cooled and removed from the mold at the end of step 2 /, or more generally of its forming medium, because it has acquired at this stage its final shape. It is then subjected to step 3 / heat treatment to wear gradually in one or more operations and step by step to the melting temperature of the matrix to form the glass, this without it being necessary to contain it or maintain in shape and without of course exert pressure to densify the matrix during processing.
La Demanderesse a constaté en effet avec surprise que la composition de la matrice permet d'obtenir par fusion une densité de la matrice remarquable. La température de fusion de la matrice se situe préférentiellement entreThe Applicant has found, in fact, with surprise that the composition of the matrix makes it possible to obtain, by melting, a remarkable density of the matrix. The melting temperature of the matrix is preferably between
600O et 1200O, et dépend de la nature du verre à former. Le traitement de vitrification peut se faire optionnellement sous atmosphère contrôlée non oxydante. La durée totale du cycle de traitement thermique peut varier de 15 minutes à plus de 24H. L'élément composite thermo-formé est chauffé à l'étape 3/ à une température comprise entre 600O et 1500O.600O and 1200O, and depends on the nature of the glass to be formed. The vitrification treatment can be done optionally in a non-oxidizing controlled atmosphere. The total duration of the heat treatment cycle can vary from 15 minutes to more than 24 hours. The thermoformed composite element is heated in step 3 / at a temperature between 600O and 1500O.
L'élément composite traité thermiquement formé après vitrification peut faire l'objet de différents post-traitements, éventuellement à hautes températures, tels que par infiltration liquide ou gazeuse ou dépôt solide, liquide ou gazeux, pein- ture, revêtement, émaillage ou tout autre traitement de surface.The heat-treated composite element formed after vitrification can be subjected to various post-treatments, possibly at high temperatures, such as by liquid or gaseous infiltration or solid, liquid or gaseous deposition, paint, coating, enameling or any other surface treatment.
Ces traitements peuvent améliorer la porosité, l'étanchéité, les caractéristiques de frottement, la résistance à l'oxydation des fibres, la réflexion ou l'absorption d'ondes et de rayonnements, l'isolation ou la conduction électrique, la dureté, l'apparence ou tout autre objectif. Ce procédé est remarquable en ce que, pendant l'étape 3/, l'élément formé n'est pas contenu, maintenu, ou supporté par un moule ou un support constituant un négatif de l'élément formée sur plus de 20% de sa surface non plane.These treatments can improve porosity, tightness, friction characteristics, fiber oxidation resistance, wave and radiation absorption or reflection, electrical insulation or conduction, hardness appearance or any other purpose. This method is remarkable in that, during step 3 /, the formed element is not contained, maintained, or supported by a mold or a support constituting a negative of the element formed on more than 20% of its non-planar surface.
Plus précisément, au cours de l'étape 3/, l'élément composite thermo-formé est contenu, maintenu ou supporté par un moule ou un support constituant un né- gatif de la pièce formée sur moins de 20% de sa surface non plane.More specifically, during step 3 /, the thermally formed composite element is contained, held or supported by a mold or a support constituting a negative of the part formed on less than 20% of its non-planar surface. .
Dans une première variante de réalisation, l'étape 4/ est réalisée en fabricant d'abord la structure métallique enveloppante et porteuse, par moulage, usinage, emboutissage ou tout autre méthode appropriée. Puis, l'élément composite traité thermiquement et la structure métallique porteuse sont assemblés l'un à l'autre. L'assemblage est réalisé par tout moyen approprié. Par exemple, la structure métallique porteuse et l'élément composite traité thermiquement sont fixés l'un à l'autre par des vis. Alternativement, la structure métallique porteuse peut comprendre deux demi-coquilles, l'élément composite traité thermiquement étant bloqué entre les deux demi-coquilles.In a first variant embodiment, step 4 is made by first manufacturing the enveloping and carrying metal structure, by molding, machining, stamping or any other appropriate method. Then, the composite element heat treated and the carrier metal structure are assembled to each other. The assembly is carried out by any appropriate means. For example, the carrier metal structure and the heat-treated composite element are fixed to each other by screws. Alternatively, the carrier metal structure may comprise two half-shells, the heat-treated composite element being locked between the two half-shells.
Dans une seconde variante de réalisation, la structure métallique porteuse est coulée directement autour de l'élément composite traité thermiquement. L'élément composite traité thermiquement forme un noyau de moulage disposé à l'intérieur du moule dans lequel est coulé le métal destiné à former à structure porteuse.In a second variant embodiment, the metallic support structure is cast directly around the thermally treated composite element. The heat-treated composite element forms a molding core disposed within the mold in which the metal for forming a carrier structure is cast.
Quand la structure métallique porteuse est mécanosoudée, elle est réalisée en acier inoxydable, en inconel, en titane, en tôle aluminié ou en aluminium. Quand la structure métallique porteuse est moulée, elle est réalisée typiquement en aluminium ou en fonte.When the metal bearing structure is mechanically welded, it is made of stainless steel, inconel, titanium, aluminum sheet or aluminum. When the carrier metal structure is molded, it is typically made of aluminum or cast iron.
La Figure 1 illustre un premier exemple d'élément de ligne d'échappement susceptible d'être fabriqué par le procédé décrit ci-dessus. L'élément 1 est un organe de purification des gaz d'échappement. L'organe 1 comprend une enveloppe métallique externe 2 et un conduit 4 interne en matière composite. L'enveloppe externe 2 est la structure métallique porteuse. Elle délimite un volume interne 6 et définit une entrée 8 de gaz d'échappement et une sortielO de gaz d'échappement. L'entrée 8 est prévue pour être raccordée au collecteur d'échappement. La sortie 10 est prévue pour être raccordée à la canule de libération dans l'atmosphère des gaz d'échappement purifiés. L'enveloppe externe 2 comporte un cône d'entrée 12, un cône de sortie 14 et une virole cylindrique 16 reliant les cônes d'entrée et de sortie. Le cône d'entrée 12 s'élargit à partir de l'entrée 8 jusqu'à une extrémité longitudinale de la virole 6. Le cône de sortie 14 s'élargit à partir de la sortie 10 jusqu'à l'extrémité opposée de la virole 16. L'élément composite traité thermiquement obtenu conformément au procédé décrit ci-dessus est le conduit interne 4. Il est placé dans le volume interne 6. Il délimite un conduit de circulation des gaz d'échappement depuis l'entrée 8 jusqu'à la sortie 10. Le conduit interne 4 présente une forme similaire à celle de l'enveloppe externe 2. Ainsi, il présente un orifice d'entrée 18, un cône d'entrée 20, une virole 22, un cône de sortie 24 et un orifice de sortie 26.Figure 1 illustrates a first example of an exhaust line element that can be manufactured by the method described above. Element 1 is an exhaust gas purification unit. The member 1 comprises an outer metal casing 2 and an inner duct 4 of composite material. The outer casing 2 is the carrier metal structure. It delimits an internal volume 6 and defines an exhaust gas inlet 8 and an exhaust gas outlet. The inlet 8 is intended to be connected to the exhaust manifold. The outlet 10 is intended to be connected to the release cannula in the purified exhaust gas atmosphere. The outer casing 2 comprises an inlet cone 12, an outlet cone 14 and a cylindrical shell 16 connecting the inlet and outlet cones. The inlet cone 12 widens from the inlet 8 to a longitudinal end of the ferrule 6. The exit cone 14 widens from the outlet 10 to the opposite end of the ferrule 16. The thermally treated composite element obtained according to the method described above is the internal conduit 4. It is placed in the internal volume 6. It defines an exhaust gas flow path from the inlet 8 to the at the exit 10. The internal conduit 4 has a shape similar to that of the outer casing 2. Thus, it has an inlet port 18, an inlet cone 20, a shell 22, an outlet cone 24 and an outlet port 26.
L'orifice d'entrée 18 est engagé dans l'entrée 8. Des moyens d'étanchéité peuvent être interposés entre la partie du conduit 4 délimitant l'orifice d'entrée 18 et la partie de l'enveloppe 2 délimitant l'entrée 8.The inlet orifice 18 is engaged in the inlet 8. Sealing means may be interposed between the portion of the duct 4 delimiting the inlet orifice 18 and the portion of the envelope 2 delimiting the inlet 8 .
De même, l'orifice de sortie 26 est engagé dans la sortie 10. Des moyens d'étanchéité peuvent être interposés entre la partie du conduit 4 délimitant l'orifice 26 et la partie de l'enveloppe 2 délimitant la sortie 10.Similarly, the outlet orifice 26 is engaged in the outlet 10. Sealing means can be interposed between the portion of the duct 4 delimiting the orifice 26 and the portion of the casing 2 delimiting the outlet 10.
Le cône d'entrée 20, la virole 22 et le cône de sortie 4 s'étendent en regard respectivement, du cône 12, de la virole 14 et du cône 16.The inlet cone 20, the ferrule 22 and the outlet cone 4 extend respectively opposite the cone 12, the ferrule 14 and the cone 16.
Dans une première variante de réalisation, non représentée, une face externe 28 du conduit interne 4 est plaquée sensiblement en tous points contre une face interne 30 de l'enveloppe externe. L'enveloppe externe 2 est donc plaquée contre le conduit 4, l'interstice entre l'enveloppe 2 et le conduit 4 étant pratique- ment nul.In a first embodiment, not shown, an outer face 28 of the inner conduit 4 is plated substantially in all points against an inner face 30 of the outer casing. The outer casing 2 is pressed against the duct 4, the gap between the casing 2 and the duct 4 being practically zero.
Dans une seconde variante de réalisation, correspondant à la figure 1 , l'élément 1 comporte une lame d'air 32 entre la surface externe 28 du conduit interne et la surface interne 30 de l'enveloppe externe. La lame d'air 32 présente une épaisseur sensiblement constante. L'écartement entre le conduit interne 4 et l'enveloppe externe 2 est contrôlé par l'intermédiaire de cales 34 interposées entre l'enveloppe 2 et le conduit 4, dans la lame d'air 32. Les cales 34 sont typiquement des cales annulaires entourant le conduit 4. Elles sont par exemple constituées de fibres élastiques ou intumescentes, de manière à compenser la différence de dilatation thermique entre l'enveloppe métallique 2 et l'élément composite 4. La lame d'air 32 forme une couche d'isolation thermique entre le conduit interne 4 et l'enveloppe métallique externe 2.In a second embodiment, corresponding to Figure 1, the element 1 comprises an air gap 32 between the outer surface 28 of the inner conduit and the inner surface 30 of the outer casing. The air gap 32 has a substantially constant thickness. The spacing between the inner pipe 4 and the outer shell 2 is controlled by means of wedges 34 interposed between the casing 2 and the duct 4, in the air knife 32. The wedges 34 are typically annular wedges surrounding the duct 4. They consist for example of elastic or intumescent fibers, so as to compensate for the difference in thermal expansion between the metal casing 2 and the composite element 4. The air knife 32 forms an insulation layer thermal between the inner pipe 4 and the outer metal shell 2.
Selon un troisième mode de réalisation non représenté, l'élément 1 présente un espace 32 entre la surface 28 du conduit interne et la surface 30 de l'enveloppe externe, cet espace étant rempli par une couche d'un matériau isolant thermique. Ce matériau peut par exemple être un aérogel ou une céramique poreuse. De préférence, ce matériau présente des performances d'isolation thermique supérieures à celles du conduit interne 4. Dans le cas où l'enveloppe externe est réalisée en coulant un matériau métallique tel que l'aluminium autour du conduit composite, la lame d'air peut être obtenue en plaçant autour du conduit, pendant la coulée du métal, un noyau en cire ou en sable ou en tout autre matériau adapté. Ce noyau est retiré à travers l'entrée ou la sortie après refroidissement de la pièce, laissant ainsi une lame d'air aux endroits voulus.According to a third embodiment not shown, the element 1 has a space 32 between the surface 28 of the inner conduit and the surface 30 of the outer envelope, this space being filled by a layer of a thermal insulating material. This material may for example be an airgel or a porous ceramic. Preferably, this material has thermal insulation performance superior to that of the inner conduit 4. In the case where the outer casing is made by casting a metallic material such as aluminum around the composite duct, the air space can be obtained by placing around the duct, during the casting of the metal, a wax core or in sand or any other suitable material. This core is removed through the inlet or outlet after cooling the part, leaving a blade of air at the desired locations.
Dans un quatrième mode de réalisation non représenté, l'élément 1 présente un espace 32 entre le conduit interne 4 et l'enveloppe externe 2, et comprend dans cet espace un matelas de fibres isolantes du côté du conduit interne, et un tissu de fibres céramiques présentant une très faible mouillabilité à l'aluminium liquide du côté de l'enveloppe externe. Le matelas de fibres isolantes recouvre sensiblement toute la surface 28. De préférence, il présente des performances d'isolation thermiques supérieures à celles du conduit interne 4.In a fourth embodiment not shown, the element 1 has a space 32 between the inner pipe 4 and the outer shell 2, and comprises in this space a mat of insulating fibers on the side of the inner pipe, and a fiber fabric. ceramics having a very low wettability to liquid aluminum on the side of the outer casing. The insulating fiber mattress covers substantially the entire surface 28. Preferably, it has thermal insulation performance greater than that of the internal pipe 4.
Le tissu de fibres céramiques recouvre sensiblement tout le matelas de fi- bres isolantes. Il permet de couler directement l'aluminium constituant l'enveloppe externe 2 sur le tissu de fibres céramiques, et joue ainsi le rôle d'un noyau de fonderie.The ceramic fiber fabric substantially covers the entire insulation fiber mat. It makes it possible to directly cast the aluminum constituting the outer shell 2 on the ceramic fiber fabric, and thus plays the role of a foundry core.
Dans un mode de réalisation, la structure métallique porteuse est en aluminium ou en alliage d'aluminium, l'élément d'échappement comportant contre une surface interne de la structure métallique porteuse un tissu de fibres céramiques présentant une très faible mouillabilité à l'aluminium liquide.In one embodiment, the metallic support structure is made of aluminum or aluminum alloy, the exhaust element having against an inner surface of the metallic support structure a fabric of ceramic fibers having a very low wettability to aluminum. liquid.
Dans un autre mode de réalisation, la structure métallique porteuse est en fonte, l'élément d'échappement comportant contre une surface interne de la structure métallique porteuse un tissu de fibres céramiques présentant une très faible mouillabilité à la fonte liquide.In another embodiment, the metallic support structure is made of cast iron, the exhaust element having against an inner surface of the metallic support structure a fabric of ceramic fibers having a very low wettability to the molten iron.
L'organe de purification 1 comprend un organe de purification catalytique 35 et un filtre à particules 35' déposés dans le conduit interne 4. L'organe 35 et le filtre 35' sont typiquement des monolithes de céramique, occupant toute la section du conduit 4 de façon à ce que les gaz d'échappement soient forcés à les traver- ser. Du fait que le conduit interne 4 est réalisé en un matériau présentant un faible coefficient de dilatation thermique, l'organe 35 et le filtre 35' sont directement en contact avec la surface interne du conduit 4. Il n'est pas nécessaire de prévoir une nappe de fibres élastiques ou intumescente entre l'organe 35 ou le filtre 35' d'une part, et le conduit 4 d'autre part, en vue de compenser les différences de dilatations thermiques.The purifying member 1 comprises a catalytic purification member 35 and a particulate filter 35 'deposited in the inner duct 4. The member 35 and the filter 35' are typically ceramic monoliths, occupying the entire section of the duct 4 so that the exhaust gases are forced to pass through them. Because the inner conduit 4 is made of a material having a low coefficient of thermal expansion, the member 35 and the filter 35 'are in direct contact with the inner surface of the conduit 4. It is not necessary to provide a sheet of elastic or intumescent fibers between the member 35 or the filter 35 'of a on the other hand, and the duct 4, in order to compensate for the differences in thermal expansion.
Un second exemple d'élément de ligne d'échappement susceptible d'être fabriqué par le procédé décrit ci-dessus est illustré sur les figures 2 à 4. Cet élé- ment 50 est une chapelle de soupapes d'échappement, destinée à être intégrée dans la culasse du moteur. La structure métallique enveloppante et porteuse 50 est une pièce massive moulée en aluminium. Des canaux 52 de refroidissement par circulation d'eau sont ménagés dans la structure métallique 50. Par ailleurs, plusieurs passages d'échappement 54 sont ménagés dans la structure métallique. Chaque passage est prévu pour être raccordé par une extrémité 56, à une chambre de combustion du moteur thermique, et par l'extrémité opposée 58, à une entrée d'un collecteur d'échappement. L'extrémité 56 est prévue pour être sélectivement obturée à un clapet d'échappement 60.A second example of an exhaust line element that can be manufactured by the process described above is illustrated in FIGS. 2 to 4. This element 50 is an exhaust valve chapel, intended to be integrated. in the cylinder head of the engine. The enveloping and carrying metal structure 50 is a massive cast aluminum piece. Channels 52 for cooling by circulation of water are formed in the metal structure 50. Moreover, several exhaust passages 54 are formed in the metal structure. Each passage is provided to be connected at one end 56 to a combustion chamber of the engine and at the opposite end 58 to an inlet of an exhaust manifold. The end 56 is provided to be selectively closed to an exhaust valve 60.
La pièce 50 comporte également plusieurs inserts 62, qui sont des élé- ments composites traités thermiquement obtenus par le procédé décrit ci-dessus. Les inserts 62 chemisent les passages 54 sur une partie de la longueur de ceux- ci. Ils délimitent ainsi les passages 54 sur une partie de leur longueur.The part 50 also comprises several inserts 62, which are thermally treated composite elements obtained by the method described above. The inserts 62 liner passages 54 over part of the length thereof. They thus delimit the passages 54 over part of their length.
Comme précédemment, les inserts 62 peuvent, dans une première variante de réalisation non représentée, être plaqués directement sur la structure métalli- que 50.As previously, the inserts 62 may, in a first embodiment not shown, be plated directly on the metal structure 50.
Selon la variante de réalisation représentée sur la figure 2, une lame d'air peut être ménagée entre l'insert 62 et la structure métallique 50 sur la plus grande partie de la surface de l'insert 62. Dans ce cas, l'élément métallique 50 comporte des zones de portée 66. L'insert 62 repose sur les zones de portée 66 qui le main- tiennent en position par rapport à l'élément métallique 50.According to the alternative embodiment shown in FIG. 2, an air gap may be formed between the insert 62 and the metal structure 50 over most of the surface of the insert 62. In this case, the element The insert 62 rests on the bearing areas 66 which hold it in position relative to the metal element 50.
Dans la variante de réalisation de la figure 3, un espace est ménagé entre l'insert 62 et la structure métallique 50 sur la plus grande partie de la surface de l'insert 62. Cet espace est rempli par un matériau thermiquement isolant tel qu'un aérogel 68 ou une céramique poreuse. Dans la variante de la figure 4, un espace est ménagé entre l'insert 62 et la structure métallique 50 sur la plus grande partie de la surface de l'insert 62, cet espace étant rempli par une nappe de fibres isolantes, recouvertes d'un tissu de fibres céramiques présentant une très faible mouillabilité à l'aluminium liquide. La nappe de fibres isolantes recouvre l'insert 62. Le tissu de fibres céramiques permet de couler directement l'aluminium formant la structure métallique 50 sur la nappe de fibres isolantes.In the embodiment of Figure 3, a space is provided between the insert 62 and the metal structure 50 over most of the surface of the insert 62. This space is filled with a thermally insulating material such as an airgel 68 or a porous ceramic. In the variant of Figure 4, a space is provided between the insert 62 and the metal structure 50 over most of the surface of the insert 62, this space being filled by a sheet of insulating fibers, covered with a fabric of ceramic fibers having a very low wettability to liquid aluminum. The The layer of insulating fibers covers the insert 62. The ceramic fiber fabric makes it possible to directly cast aluminum forming the metal structure 50 on the sheet of insulating fibers.
Un troisième exemple d'élément de lignes d'échappement susceptibles d'être fabriquées à l'aide du procédé décrit ci-dessus est illustré sur les figures 5 et 6. Cet élément est un carter 74 de turbo compresseur. Comme illustré sur la figure 6, le turbo compresseur 76 comprend un rotor 78 susceptible d'être entraîné en rotation par les gaz d'échappement, un axe 80 solidaire du rotor, une pièce massive 82 formant pallier de guidage de l'axe 80, le carter 74 étant rigidement fixé sur la pièce massive 82. Le carter 74 délimite avec la pièce massive 82 une volute 84 à l'intérieur de laquelle est placé le rotor 78. Par ailleurs, le carter délimite une sortie de gaz d'échappement 86, sensiblement coaxiale à l'axe 80. Le carter délimite en outre une entrée 85 de gaz d'échappement, situé à la périphérie de la volute 84 et orientée tangentiellement par rapport au rotor. De manière connue en soi, les gaz d'échappement pénètrent dans la volute 84 par l'entrée 85 située en périphérie de ladite volute, entraînent en rotation le rotor 78 et sortent de la volute par la sortie 86.A third example of an exhaust line element that can be manufactured using the method described above is illustrated in FIGS. 5 and 6. This element is a turbo compressor casing 74. As illustrated in FIG. 6, the turbo compressor 76 comprises a rotor 78 capable of being rotated by the exhaust gases, an axle 80 integral with the rotor, a solid piece 82 forming a guide bearing of the axis 80, the housing 74 being rigidly fixed to the solid piece 82. The housing 74 defines with the solid piece 82 a volute 84 within which is placed the rotor 78. Furthermore, the housing defines an exhaust outlet 86 , substantially coaxial with the axis 80. The housing further defines an inlet 85 of exhaust gas, located at the periphery of the volute 84 and oriented tangentially relative to the rotor. In a manner known per se, the exhaust gases enter the volute 84 through the inlet 85 located at the periphery of said volute, rotate the rotor 78 and exit the volute through the outlet 86.
Le carter 74 présente une forme de couronne. Il comporte une enveloppe métallique externe 88 rigidement fixée sur la pièce massive 82, par exemple par soudage, et définissant l'entrée de gaz d'échappement 85 et la sortie de gaz d'échappement 86. La structure métallique porteuse est donc ici l'enveloppe externe. Par ailleurs, le carter comprend une enveloppe composite interne 90 délimitant intérieurement la volute 84. L'élément composite traité thermiquement obtenu selon le procédé décrit ci-dessus forme l'enveloppe interne 90. L'enveloppe in- terne 90 est en contact avec les gaz d'échappement. Elle comporte un orifice d'entrée 92 engagé dans l'entrée 85 de l'enveloppe externe et un orifice de sortie 94 engagé dans la sortie 86 de l'enveloppe externe. L'enveloppe interne 90 présente sensiblement la même forme que l'enveloppe externe et s'étend en regard de celle-ci sur sensiblement toute la surface de ladite enveloppe externe. Elle constitue donc un écran thermique entre les gaz d'échappement et l'enveloppe métallique externe.The casing 74 has a crown shape. It comprises an outer metal casing 88 rigidly fixed to the solid piece 82, for example by welding, and defining the exhaust gas inlet 85 and the exhaust gas outlet 86. The carrier metal structure is here the outer envelope. Furthermore, the casing comprises an inner composite casing 90 internally defining the volute 84. The heat-treated composite element obtained according to the method described above forms the inner casing 90. The inner casing 90 is in contact with the casings. exhaust gas. It comprises an inlet orifice 92 engaged in the inlet 85 of the outer casing and an outlet orifice 94 engaged in the outlet 86 of the outer casing. The inner casing 90 has substantially the same shape as the outer casing and extends facing it over substantially the entire surface of said outer casing. It therefore constitutes a heat shield between the exhaust gas and the outer metal shell.
Comme indiqué précédemment, l'enveloppe interne 90 peut être plaquée directement contre une face interne de l'enveloppe externe, ou une lame d'air peut être ménagée entre les enveloppes internes et externes, ou encore un matériau thermiquement isolant peut être interposé entre les enveloppes internes et externes, un tissu de fibres céramiques présentant une très faible mouillabilité à l'aluminium liquide recouvrant le cas échéant le matériau thermiquement isolant. Un autre élément de ligne d'échappement susceptible d'être fabriqué selon le procédé décrit ci-dessus est illustré à la figure 7. Cet élément est un clapet d'une vanne disposée sur la ligne d'échappement. Cette vanne est par exemple une vanne trois voies apte à orienter sélectivement les gaz d'échappement vers une ligne de bipasse de l'organe de purification représenté sur la figure 1. La vanne peut être également prévue pour orienter les gaz d'échappement sélectivement vers une ligne de recyclage des gaz d'échappement en vue de réchauffer l'air d'alimentation des chambres de combustion (vanne dite EGR).As indicated above, the inner casing 90 can be pressed directly against an inner face of the outer casing, or an air knife can be provided between the inner and outer shells, or a thermally insulating material may be interposed between the inner and outer shells, a ceramic fiber fabric having a very low wettability liquid aluminum covering optionally the thermally insulating material. Another exhaust line element that can be manufactured according to the method described above is illustrated in FIG. 7. This element is a valve of a valve disposed on the exhaust line. This valve is for example a three-way valve capable of selectively directing the exhaust gases towards a bypass line of the purification unit shown in FIG. 1. The valve may also be designed to direct the exhaust gases selectively towards an exhaust gas recirculation line for heating the combustion chamber supply air (so-called EGR valve).
Ce clapet 96 est disposé dans le corps de vanne et est en contact avec les gaz d'échappement. Le clapet comporte un axe 98 susceptible d'être monté pivo- tant par rapport au corps de vanne, et un élément 100 prévu pour obturer sélectivement une ouverture de la vanne. L'axe et l'élément d'obturation sont formés par un élément composite traité thermiquement obtenu conformément au procédé ci- dessus. Les efforts subis par le clapet sont repris par le corps de vanne métallique, qui est ici la structure porteuse. Le corps de vanne est par exemple fabriqué en fonte. Si nécessaire, il est possible de prévoir que l'axe 98 comporte une âme métallique 102, recouverte par le matériau composite traité thermiquement.This valve 96 is disposed in the valve body and is in contact with the exhaust gas. The valve includes an axle 98 pivotable relative to the valve body, and an element 100 for selectively closing an opening in the valve. The axis and the closure member are formed by a thermally treated composite member obtained according to the above method. The forces exerted by the valve are taken up by the metal valve body, which is here the supporting structure. The valve body is for example made of cast iron. If necessary, it is possible to provide that the axis 98 comprises a metal core 102, covered by the heat-treated composite material.
Les meilleures caractéristiques dimensionnelles et la faible inertie thermique du clapet permettent d'obtenir une meilleure étanchéité et une meilleure stabilité thermique dans le temps et en température par comparaison avec un clapet métallique.The best dimensional characteristics and the low thermal inertia of the valve make it possible to obtain a better seal and a better thermal stability in time and in temperature compared to a metallic valve.
Il serait également possible de réaliser le corps de vanne avec une enveloppe externe porteuse métallique et une enveloppe interne composite traités thermiquement, comme sur la figure 1.It would also be possible to make the valve body with a metal carrying outer shell and a thermally treated composite inner shell, as in FIG.
Plusieurs exemples de réalisations d'éléments composites formés adaptés à la fabrication des éléments de lignes d'échappement décrits ci-dessus vont maintenant être détaillés. Exemple 1 : On réalise selon les procédés connus de l'homme de l'art un moule intérieur d'un collecteur d'échappement, dans un matériau destructible (aquacore par exemple).Several examples of embodiments of formed composite elements adapted to the manufacture of the exhaust line elements described above will now be detailed. Example 1 According to the methods known to those skilled in the art, an inner mold of an exhaust manifold is made from a destructible material (aquacore for example).
On découpe selon des gabarits des morceaux de tissus préimprégné Pré- preg PyroSiC Opp 4686 commercialisé par la société Pyromeral Systems.Pieces of prepreg Prepreg PyroSiC Opp 4686 fabric sold by the company Pyromeral Systems are cut according to templates.
On place jointivement les morceaux découpés sur la surface du moule intérieur de façon à avoir 4 épaisseurs de matériau sur toute la surface du moule intérieur.The cut pieces are placed together on the surface of the inner mold so as to have 4 thicknesses of material on the entire surface of the inner mold.
On réalise de la même manière un éprouvette pour test, sur un plaque. On place l'ensemble moule-pièce-éprouvette dans une bâche à vide et on fait le vide.In the same manner, a test specimen is made on a plate. Place the mold-specimen-piece assembly in a vacuum cover and evacuate.
On place l'ensemble moule-pièce-éprouvette bâche sous vide en autoclave.The mold-specimen-test piece is placed under vacuum in an autoclave.
On réalise le thermo-durcissement en autoclave sous pression de 6 bars àThe thermosetting is carried out in an autoclave at a pressure of 6 bar
140O pendant une heure. On démoule la pièce thermo-durcie par dissolution de l'aquacore.140O for one hour. The thermo-hardened part is demolded by dissolving the aquacore.
On sèche la pièce en étuve ventilée.Dry the room in a ventilated oven.
On place la pièce dans un four et on effectue le traitement thermique par paliers jusque 750O.The piece is placed in an oven and the heat treatment is carried out stepwise up to 750 ° C.
On sort la pièce traités thermiquement du four. On peut constater au mi- croscope la transformation de la matrice. La pièce mesure 0,8 mm d'épaisseur. Ses dimensions correspondent à celles du plan ayant servi à faire le moule. Il n'y a pas de déformation apparente.The heat-treated part is taken out of the oven. The transformation of the matrix can be seen at the microscope. The piece is 0.8 mm thick. Its dimensions correspond to those of the plan used to make the mold. There is no apparent deformation.
On mesure la résistance à la flexion de l'éprouvette ayant subi l'ensemble du cycle. Celle-ci est de 310 Mpa. Exemple 2 :The flexural strength of the test piece which has undergone the entire cycle is measured. This is 310 Mpa. Example 2
On réalise de la même manière que dans l'exemple 1 des éprouvettes pour tests en température à longue durée. Ces éprouvettes sont déposées dans une enceinte maintenue à 1050O, pendant 250 heures, et sont exposées à un flux de gaz circulant à 100m/s. Le gaz possède la composition suivante : 0.5% O2, 12% de H2O, CO2 et N2. Après 250 heures, les éprouvettes possèdent une résistance à la traction supérieure à 50 MPa.In the same manner as in Example 1, test specimens for long-term temperature tests are carried out. These specimens are deposited in an enclosure maintained at 1050O, for 250 hours, and are exposed to a flow of gas flowing at 100m / s. The gas has the following composition: 0.5% O 2, 12% H 2 O, CO2 and N 2 . After 250 hours, the test pieces have a tensile strength greater than 50 MPa.
Le procédé de fabrication décrit ci-dessus présente de multiples avantages. Il permet de fabriquer de manière répétitive, fiable et économique des éléments de ligne d'échappement présentant une très faible inertie thermique, du fait qu'ils comportent un élément composite formant écran thermique entre la structure métallique et les gaz d'échappement. L'inertie thermique de tels éléments est beaucoup plus faible que celle des pièces de fonderie et même de celle des pièces mécano soudées.The manufacturing method described above has many advantages. It makes it possible to manufacture in a repetitive, reliable and economic way elements of exhaust line having a very low thermal inertia, because they comprise a composite element forming a heat shield between the metal structure and the exhaust gas. The thermal inertia of such elements is much lower than that of foundry parts and even that of mechanically welded parts.
Ces éléments peuvent comporter si nécessaire une isolation thermique entre l'élément composite chauffé et la structure métallique porteuse, par exemple une lame d'air, une nappe d'isolation en fibres céramiques, un aérogel, un élément microporeux... Le procédé permet de réaliser des pièces de toutes sortes de formes, les limitations de design pour ces pièces étant beaucoup moins strictes que pour les pièces mécano-soudées ou même que pour les pièces de fonderie. Ceci est du notamment au fait que le matériau composite formable peut être mis en forme facilement pour obtenir des pièces de formes complexes et monoblocs. Ceci n'est pas possible dans le cas de pièces intégralement mécano-soudées ou de pièces métalliques de fonderie.These elements may comprise, if necessary, a thermal insulation between the heated composite element and the metallic support structure, for example an air gap, an insulation layer of ceramic fibers, an airgel, a microporous element, etc. The process allows to make parts of all kinds of forms, the design limitations for these parts being much less strict than for mechanically welded parts or even for foundry parts. This is particularly because the formable composite material can be shaped easily to obtain parts of complex shapes and monoblocks. This is not possible in the case of fully welded parts or foundry metal parts.
Les éléments de lignes d'échappement obtenus selon le procédé présentent une meilleure stabilité dimensionnelle en température, notamment au-delà de 1050O, que les pièces mécano-soudées ou même que I es pièces de fonderie. Du fait du découplage entre la résistance mécanique, conférée par la structure métallique porteuse, et de la résistance thermique, conférée par l'élément composite chauffé, les éléments de lignes d'échappement présentent une excellente tenue thermo mécanique au-delà de 10000C.The exhaust line elements obtained according to the process have a better dimensional stability in temperature, in particular beyond 1050O, than the mechanically welded parts or even the foundry parts. Due to the decoupling between the mechanical strength, conferred by the metal carrying structure, and the thermal resistance, conferred by the heated composite element, the exhaust line elements have excellent thermomechanical behavior beyond 1000 0 C .
Les éléments de lignes d'échappement de l'invention présentent une faible masse comparé aux pièces de fonderie et même aux pièces mécano-soudées.The exhaust line elements of the invention have a low mass compared to castings and even to mechanically welded parts.
Le procédé de l'invention permet d'obtenir des éléments composites traités thermiquement présentant une conductivité thermique inférieure à 4W/m.K Leur coefficient d'expansion thermique est inférieur à 1 E-5 et vaut par exemple 5E- 6m/mK. La densité de l'élément composite chauffé est inférieure à 3 g/cm3. La résistance à la traction est supérieure à 80MPa dans un domaine de température allant de -400C à 5000C, et est supérie ure à 20MPa jusqu'à 1050 O. Cette résistance est mesurée sur échantillons plies à trois points ayant une épaisseur de 0,8 à 1 ,5mm. L'élément composite formé présente une résistance aux chocs thermiques satisfaisante. Il ne présente pas de dégradation notable quand il est soumis à 1500 cycles de température, chaque cycle comprenant une phase au cours de laquelle l'élément est exposé à des gaz passant de 1050O à 300O en 5 se- condes, et une phase au cours de laquelle l'élément est exposé à des gaz passant de 300O à 1050O en 5 secondes. L'élément composit e chauffé est capable de résister à une exposition à un flux de gaz circulant à 100m/s à 1050O, de composition suivante : 0,5% O2, 12% H2O, CO2 et N2, ou encore à un flux de gaz à 900O de composition 5% O 2, 12% H2O, CO2 et N2. Aucune dégradation notable ne doit être observée au bout de 250 heures.The method of the invention makes it possible to obtain thermally treated composite elements having a thermal conductivity of less than 4 W / mK. Their coefficient of thermal expansion is less than 1 E-5 and is for example 5E-6m / mK. The density of the heated composite element is less than 3 g / cm 3 . The tensile strength is greater than 80 MPa in a temperature range of -40 ° C. to 500 ° C., and is greater than 20 MPa up to 1050 ° C. This resistance is measured on three-point folded samples having a thickness from 0.8 to 1.5mm. The formed composite element has satisfactory thermal shock resistance. It does not show significant degradation when it is subjected to 1500 temperature cycles, each cycle comprising a phase during which the element is exposed to gases from 1050 ° to 300 ° in 5 seconds, and a phase during of which the element is exposed to gases from 300O to 1050O in 5 seconds. The composite heated member is capable of withstanding exposure to a flow of gas flowing at 100m / s to 1050O, having the following composition: 0.5% O 2 , 12% H 2 O, CO 2 and N 2 , or still at a flow of gas at 900O of composition 5% O 2 , 12% H 2 O, CO 2 and N 2 . No significant degradation should be observed after 250 hours.
Par ailleurs, le matériau est apte à résister à l'attaque chimique de l'essence, du gasoil, de l'huile de moteur, et est compatible du point de vue de la corrosion à haute température avec l'acier.Furthermore, the material is able to withstand the chemical attack of gasoline, diesel, engine oil, and is compatible from the point of view of high temperature corrosion with steel.
L'élément composite traité thermiquement obtenu conformément au procé- dé décrit ci-dessus présente la même tenue en température que des matériaux céramiques du type utilisés dans l'aéronautique.The thermally treated composite element obtained according to the method described above has the same temperature resistance as ceramic materials of the type used in aeronautics.
De plus, du fait qu'il est susceptible d'être thermo-durci à des températures modérées, par exemple entre 6OO et 180O, il peut être mis en forme facilement et permet d'obtenir des formes complexes. II est à noter que le procédé d'obtention de cet élément composite est particulièrement original du fait de cette étape de thermodurcissement. Il est plus simple, moins consommateur de temps et d'énergie, moins coûteux et demande des outillages moins complexes qu'un procédé classique. Il permet d'utiliser une teneur en fibres très élevée. De ce fait, l'élément composite présente une faible épaisseur mais des caractéristiques mécaniques avantageuses. L'élément composite traité thermiquement peut comprendre 4 couches de renforts fibreux, comme indiqué ci-dessus. Il peut aussi comporter moins de quatre couches, par exemple une seule, ou plus de quatre couches, cinq, six, sept huit ou plus de huit couches. Après traitement thermique, l'épaisseur totale de l'élément composite peut présenter une épaisseur comprise entre 0.2 et 2mm. In addition, because it is capable of being heat-hardened at moderate temperatures, for example between 600 and 180 °, it can be shaped easily and allows complex shapes to be obtained. It should be noted that the process for obtaining this composite element is particularly original because of this thermosetting step. It is simpler, less time and energy consuming, less expensive and requires less complex tools than a conventional process. It allows to use a very high fiber content. As a result, the composite element has a small thickness but advantageous mechanical characteristics. The thermally treated composite element may comprise 4 layers of fibrous reinforcements, as indicated above. It may also comprise less than four layers, for example only one, or more than four layers, five, six, seven, eight or more than eight layers. After heat treatment, the total thickness of the composite element may have a thickness of between 0.2 and 2 mm.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Procédé de fabrication d'un élément de ligne d'échappement de véhicule automobile à moteur thermique pour utilisation entre le moteur et le pot cata- lytique, le procédé comprenant les étapes suivantes : 1/ mise en forme d'un matériau composite formable, composé d'un renfort fibreux textile à base de fibre de carbure de silicium (SiC) imprégné d'un mélange réactionnel se présentant sous la forme d'une composition aqueuse d'aluminosilicates alcalins ;1. A process for manufacturing a motor vehicle exhaust line element with a heat engine for use between the engine and the catalytic pot, the method comprising the following steps: 1 / forming a composite material formable composition, composed of a fibrous textile reinforcement based on silicon carbide fiber (SiC) impregnated with a reaction mixture in the form of an aqueous composition of alkaline aluminosilicates;
2/ obtention d'un élément composite thermo-formé à renfort fibreux et à ma- trice d'oxydes d'aluminosilicates, par thermo-durcissement à une température comprise entre 6OO et 180O de l'élément formé obt enu à l'étape 1/ ;2 / obtaining a thermoformed composite member with fibrous reinforcement and an aluminosilicate oxide matrix, by thermosetting at a temperature of between 6OO and 180O of the formed element obtained in step 1 /;
3/ traitement thermique à plus de 600O de l'élément composite thermoformé obtenu à l'étape 2/ pour transformer la matrice en verre par fusion.3 / thermal treatment with more than 600O of the thermoformed composite element obtained in step 2 / to transform the glass matrix by melting.
4/ réalisation d'une structure métallique porteuse liée à l'élément composite traité thermiquement obtenu à l'étape 3/, l'élément composite traité thermiquement étant destiné à être en contact avec les gaz d'échappement.4 / realization of a carrier metal structure connected to the heat-treated composite element obtained in step 3 /, the heat-treated composite element being intended to be in contact with the exhaust gas.
2.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le poids du renfort textile fibreux représentant entre 25% et 70% en poids dudit matériau composite formable déshydraté.2. A process according to any one of the preceding claims, characterized in that the weight of the fibrous textile reinforcement representing between 25% and 70% by weight of said dehydrated formable composite material.
3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape 2/ de thermo-durcissement effectuée sous une pression comprise entre la pression atmosphérique et 1500 bars environ sous vide ou non.3. A process according to any one of the preceding claims, characterized in that the step 2 / of thermosetting carried out under a pressure of between atmospheric pressure and about 1500 bar under vacuum or not.
4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape 2/ de thermo-durcissement est effectué en autoclave sous une pression de 5 à 35 bars sous vide ou non.4. A process according to claim 3, characterized in that step 2 / thermosetting is carried out in an autoclave under a pressure of 5 to 35 bar under vacuum or not.
5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape 1/ de mise en forme est réalisée par une technique de moulage choisie dans le groupe comprenant la compression en moule ouvert ou fermé, ou entre cylindres en continu, le drapage laminaire par plis superposés dans un moule, sous vide ou non, l'enroulement filamentaire ou de bandelettes, la pultrusion, l'extrusion, l'injection, le moulage par transfert-infiltration ou injection de résine.5.- Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the shaping step 1 / is performed by a molding technique selected from the group comprising compression in open or closed mold, or between cylinders in Continuous laminar draping by superposed folds in a mold, vacuum or not, filament winding or strips, pultrusion, extrusion, injection, injection-transfer molding or resin injection.
6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, au cours de l'étape 3/, l'élément composite thermo-formé obtenu à l'étape 2/ est chauffé à une température au moins égale à la température de vitrification de la matrice durant au moins 15 minutes.6. A process according to any one of the preceding claims, characterized in that, during step 3 /, the thermo-formed composite element obtained in step 2 / is heated to a temperature at least equal to the vitrification temperature of the matrix for at least 15 minutes.
7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément composite thermo-formé est chauffé à l'étape 3/ à une température comprise entre 600O eMSOOO.7. A process according to claim 6, characterized in that the thermo-formed composite element is heated in step 3 / at a temperature between 600O eMSOOO.
8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce que, au cours de l'étape 3/, ledit chauffage est effectué sous atmosphère contrôlée non oxydante.8. A process according to any one of the preceding claims, characterized in that, during step 3 /, said heating is carried out under a non-oxidizing controlled atmosphere.
9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, au cours de l'étape 3/, l'élément composite thermo-formé est contenu, maintenu ou supporté par un moule ou un support constituant un négatif de la pièce formée sur moins de 20% de sa surface non plane.9. A process according to any one of the preceding claims, characterized in that, during step 3 /, the thermo-formed composite element is contained, maintained or supported by a mold or a support constituting a negative of the part formed on less than 20% of its non-planar surface.
10.- Elément de ligne d'échappement pour automobile à moteur thermique fabriqué selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.10. An exhaust line element for a thermal engine automobile manufactured according to any one of claims 1 to 9.
11.- Elément selon la revendication 10, caractérisé en ce que le renfort fibreux comprend des fibres de carbure de silicium, de diamètre compris entre 10 μm et 50 μm.11. Element according to claim 10, characterized in that the fiber reinforcement comprises silicon carbide fibers with a diameter of between 10 microns and 50 microns.
12.- Elément selon l'une quelconque des revendications 10 à 11 , caractérisé en ce qu'une surface externe de l'élément composite traité thermiquement est appliquée contre une surface interne de la structure métallique porteuse. 12. Element according to any one of claims 10 to 11, characterized in that an outer surface of the heat-treated composite element is applied against an inner surface of the metal carrier structure.
13.- Elément selon l'une quelconque des revendications 10à 12, caractérisé en ce qu'il comporte une lame d'air entre une surface externe de l'élément composite traité thermiquement et une surface interne de la structure métallique porteuse.13.- element according to any one of claims 10 to 12, characterized in that it comprises an air gap between an outer surface of the heat-treated composite element and an inner surface of the metal carrier structure.
14.- Elément selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte une couche d'un matériau isolant thermique entre une surface externe de l'élément composite traité thermiquement et une surface interne de la structure métallique porteuse.14. Element according to any one of claims 10 to 12, characterized in that it comprises a layer of a thermal insulating material between an outer surface of the heat-treated composite element and an inner surface of the metal carrier structure .
15.- Elément selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la structure métallique porteuse est en aluminium ou en alliage d'aluminium, l'élément d'échappement comportant contre une surface interne de la structure métallique porteuse un tissus de fibres céramiques présentant une très faible mouillabilité à l'aluminium liquide.15.- element according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the bearing metal structure is aluminum or aluminum alloy, the exhaust element having against an inner surface of the metal carrier structure a ceramic fiber fabrics with very low wettability to liquid aluminum.
16.- Elément selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la structure métallique porteuse est en fonte, l'élément d'échappement comportant contre une surface interne de la structure métallique porteuse un tissu de fibres céramiques présentant une très faible mouillabilité à la fonte liquide.16.- element according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the metal carrier structure is cast iron, the exhaust element having against an inner surface of the metal carrying structure a ceramic fiber fabric having a very low wettability to liquid iron.
17.- Elément selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisé en ce que l'élément de ligne d'échappement est un volume d'échappement, la structure métallique porteuse étant une enveloppe externe du volume d'échappement, la structure métallique porteuse délimitant un volume interne et définissant une entrée de gaz d'échappement et une sortie de gaz d'échappement, l'élément composite traité thermiquement étant placé dans le volume interne et délimitant un conduit de circulation des gaz d'échappement depuis l'entrée jusqu'à la sortie.17.- element according to any one of claims 10 to 16, characterized in that the exhaust line element is an exhaust volume, the metal carrying structure being an outer envelope of the exhaust volume, the structure metallic carrier defining an internal volume and defining an exhaust gas inlet and an exhaust gas outlet, the heat-treated composite element being placed in the internal volume and delimiting an exhaust gas circulation duct from the entrance to the exit.
18.- Elément selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisé en ce que l'élément de ligne d'échappement est une paroi comprenant une couche interne en contact avec les gaz d'échappement et une couche externe, la structure métallique porteuse étant la couche externe de la paroi, l'élément composite traité thermiquement étant la couche interne de la paroi.18.- element according to any one of claims 10 to 16, characterized in that the exhaust line element is a wall comprising a inner layer in contact with the exhaust gas and an outer layer, the carrier metal structure being the outer layer of the wall, the heat-treated composite element being the inner layer of the wall.
19.- Elément selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un corps définissant un passage de circulation des gaz d'échappement, l'élément composite traité thermiquement étant situé dans ledit passage.19.- element according to any one of claims 10 to 16, characterized in that it comprises a body defining an exhaust gas flow passage, the heat-treated composite element being located in said passage.
20.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la composition acqueuse d'alumino-sillicate alcalins a un pH supérieur ou égal à 11. 20. A process according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the aqueous composition of alumino-sillicate alkali has a pH greater than or equal to 11.
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