EP0706608B1 - Tubulure d'echappement pour dispositif d'echappement a catalyse - Google Patents

Tubulure d'echappement pour dispositif d'echappement a catalyse Download PDF

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EP0706608B1 EP95918048A EP95918048A EP0706608B1 EP 0706608 B1 EP0706608 B1 EP 0706608B1 EP 95918048 A EP95918048 A EP 95918048A EP 95918048 A EP95918048 A EP 95918048A EP 0706608 B1 EP0706608 B1 EP 0706608B1
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piping
internal
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    • F01N2310/02—Mineral wool, e.g. glass wool, rock wool, asbestos or the like

Definitions

  • Figure 4 shows another embodiment individual elements of said tube, mounted in said exhaust manifold.
  • the material 12 is of the fibrous type.
  • the space annular 9 contains windings in the form of rings 12A, long fibers (continuous wicks) thus providing a acceptable radial stiffness to avoid deformation of the inner tube 10.
  • these fiber rings 12A are regularly spaced from each other along the outer wall 10A of the inner tube 10, providing identical intervals between them. They also present a substantially trapezoidal section so that the large base of each of them is properly attached to the wall 10A of the internal tube by means of an adhesive, such as high temperature ceramic glue.
  • rings 17 On the small bases of said rings, corresponding to the winding of the last row of turns of said fibers, are added rings 17 which are preferably split for facilitate their installation, said split rings 17 being there also fixed by a high temperature glue on the corresponding small bases of said rings.

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Description

La présente invention concerne une tubulure d'échappement pour un dispositif d'échappement à catalyse pour moteur thermique.
En raison de l'instauration de nouvelles normes antipollution, les dispositifs d'échappement des véhicules à moteurs thermiques doivent être équipés de catalyseurs, dont le but est de participer activement à la réduction des rejets dans l'atmosphère de gaz de combustion plus ou moins toxiques, afin de préserver et de respecter au mieux l'environnement.
Pour cela, le catalyseur ou pot catalytique des dispositifs d'échappement est raccordé à la sortie de la tubulure d'échappement, dont l'entrée est fixée au collecteur des gaz de combustion issus du moteur. Un silencieux termine, par ailleurs, les dispositifs en étant relié au catalyseur par un tuyau d'échappement. Structurellement, un catalyseur se compose d'une enveloppe rigide à l'intérieur de laquelle est agencé un bloc ou monolithe de céramique à alvéoles recouvertes d'alumine et de métaux précieux (platine, rhodium, etc...) qui agissent, par catalyse, notamment sur le monoxyde de carbone, les oxydes d'azote et les hydrocarbures imbrûlés, pour annihiler leurs constituants nocifs et les transformer en rejets non nocifs.
En outre, on sait que le catalyseur n'est efficace que lorsqu'il atteint une certaine température (plusieurs centaines de degrés), c'est-à-dire lorsque le moteur fonctionne au moins depuis plusieurs minutes, de façon que le monolithe soit suffisamment chauffé par les gaz pour initier les réactions par catalyse. Par conséquent, tant que le monolithe n'atteint pas une température donnée, les gaz sortant du moteur, bien que traversant le catalyseur, ne sont pas traités. De plus, comme le catalyseur est souvent éloigné du collecteur du fait de la conception des véhicules et de critères de sécurité, sa montée en température, qui s'effectue par les gaz parcourant la tubulure, est d'autant plus longue.
Aussi, pour remédier à ces inconvénients, on a déjà proposé d'entourer extérieurement la tubulure d'échappement par un tube composite d'isolation thermique, constitué d'un tube interne, d'un tube externe et d'une matière thermiquement isolante prévue entre les tubes interne et externe. En réalité, il s'avère que le catalyseur n'est pas efficace plus rapidement pour autant, car ces tubes composites présentent le comportement suivant :
  • d'une part, les échanges thermiques s'effectuent tout d'abord au travers de la tubulure d'échappement ayant une capacité thermique élevée en raison de l'épaisseur de sa paroi de l'ordre de 2 à 3 millimètres, de sorte que le temps de montée en température du catalyseur est donc trop important, au moment du démarrage à froid du véhicule ;
  • d'autre part, la capacité thermique de la tubulure est élevée et le tube composite entoure ladite tubulure, de sorte que l'énergie calorifique des gaz, lorsque le moteur est chaud, n'est pas assez évacuée, en risquant de surchauffer le catalyseur si la température des gaz atteint environ 1000°C.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne une tubulure d'échappement pour un dispositif d'échappement de gaz à catalyse, équipée d'un tube composite dont la conception favorise grandement la montée en température du catalyseur au moment du démarrage du moteur, tout en ne nuisant pas aux échanges thermiques lorsque le moteur est chaud.
A cet effet, la tubulure d'échappement pour dispositif d'échappement de gaz à catalyse comportant un collecteur des gaz et un catalyseur, ladite tubulure étant située entre ledit collecteur et ledit catalyseur et pourvue d'un tube composite qui est constitué d'un tube interne et d'un tube externe définissant entre eux un espace sensiblement annulaire, est remarquable, selon l'invention, en ce que ledit tube composite est logé à l'intérieur de ladite tubulure d'échappement, le tube externe venant sensiblement au contact de ladite tubulure, et en ce que lesdits tubes interne et externe présentent des parois minces dont l'épaisseur est inférieure à 0,3 millimètre.
Ainsi, comme le tube composite est situé à l'intérieur de la tubulure, cet agencement permet une montée en température rapide du catalyseur au moment du démarrage à froid du véhicule et après chaque arrêt, puisque l'énergie calorifique des gaz est quasiment directement transférée vers le catalyseur, sans avoir à vaincre la capacité thermique importante de la tubulure. Le monolithe du catalyseur est alors opérationnel en un temps d'amorçage réduit.
En revanche, lorsque le moteur du véhicule est chaud, et puisque le tube composite est mince et configurable en transfert thermique, conférant à ce dernier une faible résistance thermique, le tube composite ne fait pas obstacle aux échanges thermiques entre les gaz et la tubulure d'échappement qui peut ainsi évacuer librement la chaleur vers l'extérieur par les échanges thermiques classiques. Ainsi, la surchauffe du monolithe pouvant conduire à sa destruction est évitée. En conséquence, par l'utilisation de tubes interne et externe à parois minces, conférant au tube composite une faible masse et donc une faible résistance thermique à haute température, et par l'agencement dudit tube composite à l'intérieur de ladite tubulure d'échappement, on permet une mise en action rapide du catalyseur lorsque le moteur est froid, tout en évitant les risques de surchauffe, lorsque le moteur est chaud.
On remarquera que le document WO 91/02143 décrit une tubulure d'échappement constituée de tubes interne et externe, cannelés à paroi mince, qui définissent entre eux un espace sensiblement annulaire rempli d'une isolation à base de fibres réfractaires.
Avantageusement, dans la tubulure de l'invention, l'épaisseur des parois desdits tubes interne et externe est inférieure à 0,3 millimètre, de préférence de l'ordre de 0,15 à 0,20 millimètre. Ainsi, la capacité thermique est-elle encore réduite. De préférence, lesdits tubes interne et externe sont réalisés en acier inoxydable.
Par ailleurs, dans ledit espace annulaire délimité par lesdits tubes externe et interne, est agencée une matière à faible capacité thermique et à faible densité, se présentant sous forme particulaire ou fibreuse. Ainsi, cette matière a pour but principal de reporter sur la tubulure d'échappement, via le tube externe, les efforts engendrés par le passage des gaz sous pression et s'exerçant sur le tube interne mince, pour éviter la déformation de ce dernier. La matière intermédiaire joue donc le rôle d'entretoise pour conserver une tenue mécanique acceptable audit tube composite et elle doit être non conductrice de la chaleur pour ne pas augmenter la capacité thermique du tube composite.
Par exemple, la capacité thermique de ladite matière peut être de l'ordre de 0,25 kcal/kg et sa densité au plus égale à 0,3.
Lorsque ladite matière se présente plus particulièrement sous forme de particules, des bagues sont prévues aux extrémités desdits tubes interne et externe, obturant ledit espace annulaire pour enfermer ladite matière. De préférence, dans chaque extrémité desdits tubes, sont logées une bague isolante souple, montée dans ledit espace et venant au contact de ladite matière à faible capacité thermique et à faible densité, et une bague thermiquement résistante rigide, montée dans ledit espace et venant au contact de ladite bague isolante souple. Les bagues isolantes souples permettent notamment la libre dilatation des tubes externe et interne, tandis que les bagues rigides assurent le centrage desdits tubes.
Lorsque ladite matière se présente plus particulièrement sous forme de fibres, des enroulements fibreux peuvent être fixés à l'extérieur dudit tube interne et espacés les uns des autres par des intervalles libres, ledit tube externe venant sensiblement au contact des enroulements fibreux. Par exemple, ces derniers sont définis par une pluralité d'anneaux fibreux entourant fixement et à intervalles réguliers ledit tube interne, et présentant une section trapézoïdale ou analogue, des bagues étant rapportées autour desdits anneaux fibreux pour s'engager dans ledit tube externe et être fixés, par au moins l'une de celles-ci, audit tube externe.
En raison des différentes formes et longueurs des tubulures d'échappement, le tube composite est avantageusement constitué par une pluralité d'éléments individuels, susceptibles d'être assemblés les uns aux autres. Ainsi, on peut adapter au mieux le tube composite à la tubulure concernée. Bien évidemment, chaque élément individuel comprend des tubes externe et interne à parois minces, et une matière à faible capacité thermique et à faible densité disposée entre lesdits tubes. En outre, lorsque deux éléments individuels sont assemblés, les extrémités correspondantes des tubes internes sont emboítées l'une dans l'autre, tandis que les extrémités correspondantes des tubes externes sont en butée l'une contre l'autre.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 montre schématiquement un dispositif d'échappement de gaz à catalyse dont la tubulure d'échappement, conformément à l'invention, est munie d'un tube composite.
La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un des éléments individuels constituant ledit tube composite.
La figure 3 montre des éléments individuels dudit tube, montés dans ladite tubulure d'échappement.
La figure 4 représente un autre exemple de réalisation d'éléments individuels dudit tube, montés dans ladite tubulure d'échappement.
Le dispositif d'échappement 1 illustré sur la figure 1 comprend usuellement un collecteur 2 des gaz issus du moteur thermique 3, une tubulure d'échappement 4 raccordée au collecteur, un catalyseur ou pot catalytique 5 raccordé à son tour à la tubulure d'échappement et un tuyau d'échappement 6 relié audit catalyseur et comprenant un silencieux 7. Un tel dispositif d'échappement à catalyse permet ainsi, comme il est rappelé préalablement, de réduire les émissions nocives des gaz sortant du moteur, vers l'extérieur.
Pour assurer une montée rapide en température du catalyseur 5, la tubulure d'échappement 4 est pourvue d'un tube composite 8 qui se compose d'un tube interne 10, d'un tube externe 11 et d'une matière de faible densité 12, non conductrice de la chaleur, agencée dans l'espace annulaire 9 délimité par les deux tubes 10 et 11, de préférence concentriques et de section circulaire, comme ladite tubulure.
Selon l'invention, le tube composite 8 est logé à l'intérieur de la tubulure d'échappement 4 et les parois 10A et 11A qui constituent les tubes interne et externe sont minces pour présenter une épaisseur inférieure à 0,3 millimètre et, de préférence, comprise entre 0,15 et 0,20 millimètre. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 3, le tube composite 8 est constitué d'une pluralité d'éléments ou de tronçons individuels 14 assemblés les uns à la suite des autres dans les parties droites de la tubulure d'échappement 4 qui présente généralement un coude, pour assurer la liaison entre la sortie du collecteur 2 et l'entrée du catalyseur 5. Sur la figure 1 montrant le dispositif 1 de façon schématique, la tubulure 4 est rectiligne, mais il va de soi que, dans la réalité, celle-ci est coudée.
Dimensionnellement, le tube composite 8, formé des éléments individuels 14, a un diamètre extérieur, défini par le tube externe 11 de chaque élément, au plus égal au diamètre intérieur de la paroi 4A de la tubulure 4 pour permettre leur montage dans cette dernière. Aussi, pour conserver la même section de passage des gaz issus du moteur, le diamètre intérieur de la tubulure 4 est augmenté, de l'ordre par exemple de 10 millimètres, pour que le diamètre intérieur du tube interne de chaque élément soit alors identique à celui des tubulures actuelles.
Structurellement, les tubes interne 10 et externe 11 de chaque élément sont réalisés en un acier inoxydable résistant ainsi aux températures élevées des gaz d'échappement. La matière à faible capacité thermique et à faible densité peut être, quant à elle, du type particulaire, c'est-à-dire constituée notamment de microsphères de SiO2 ou analogue compactées ou non, ou du type fibreux, c'est-à-dire comportant notamment des fibres longues de SiO2 ou de Al2O3, par exemple. Cette matière doit être réfractaire, résistant à des températures de 1000°C ou plus, légère et relativement souple, et apte à transmettre les efforts mécaniques du tube interne vers le tube externe et, donc, vers la tubulure, sans pénaliser la capacité thermique du tube composite, en particulier celle du tube interne 10. Pour cela, la masse volumique de la matière est inférieure à 300 kg/m3, alors que sa capacité thermique peut être de l'ordre de 0,25 kcal/kg ou moins.
Selon la réalisation de l'élément 14 montré sur la figure 2, la matière 12 est du type particulaire. Dans ce cas, chaque élément 14 du tube composite 8 comprend des bagues à ses extrémités annulaires délimitées par les tubes interne 10 et externe 11. Plus particulièrement, deux bagues 15 sont montées au voisinage des extrémités 10B, 10C, 11B, 11C desdits tubes, dans l'espace annulaire 9, pour contenir ainsi la matière 12 dans l'élément 14. Ces bagues 15 sont réalisées également en une matière isolante souple, ou semi-souple, ce qui permet la libre dilatation du tube interne 10 par rapport au tube externe 11, aussi bien axiale que diamétrale, en raison des différences de température apparaissant entre les deux tubes. Par ailleurs, deux autres bagues 16 sont également montées aux extrémités 10B, 10C, 11B, 11C de chaque élément en venant au contact des bagues isolantes 15. Les bagues 16 sont réalisées en une matière rigide, telle qu'une céramique dense à base d'alumine, résistante thermiquement et peu sensible aux chocs thermiques, et elles maintiennent les bagues isolantes 15, assurent le centrage des tubes 10 et 11 l'un par rapport à l'autre et autorisent les allongements relatifs longitudinaux et transversaux puisqu'elles sont montées avec jeu dans l'espace annulaire 9 des tubes.
Aussi, pour immobiliser axialement lesdites bagues par rapport aux tubes de l'élément, il est prévu, d'un côté de l'élément 14, une saillie radiale externe 10D, ménagée au voisinage de l'extrémité 10B du tube interne, et, de l'autre côté de l'élément 14, une saillie radiale interne 11D ménagée au voisinage de l'extrémité 11B, du tube externe.
De plus, on remarque que l'extrémité 10B se trouve dans le prolongement de la paroi 10A du tube interne 10, tandis que l'extrémité opposée 10C est légèrement élargie. De même, l'extrémité 11B du tube externe 11 se termine par un rabat 11E à angle droit tourné vers l'intérieur, tandis que l'extrémité opposée 11C prolonge la paroi 11A. De préférence, le rabat 11E du tube externe se trouve dans un même plan diamétral que la saillie externe 10D du tube interne, de même que la saillie interne 11D est située approximativement au droit du changement de section du tube interne entre sa paroi 10A et son extrémité 10C. Par conséquent, les bagues 15 et 16, ainsi que la matière 12, sont maintenues axialement en place dans l'espace annulaire 9 de chaque élément 14.
Le montage des éléments individuels assemblés 14 est montré sur la figure 3. L'extrémité 10B d'un élément 14 s'engage alors à frottement doux dans l'extrémité élargie 10C d'un autre élément contigu, ce qui assure leur emboítement jusqu'au moment où l'extrémité rabattue 11E du tube externe 11 de l'élément vient en butée contre l'extrémité 11C de l'autre élément.
Le tube composite 8 à éléments individuels constitue ainsi un système modulaire qui permet de "tapisser" aisément l'intérieur de la tubulure d'échappement 4.
Les avantages procurés par l'agencement d'un tel tube composite 8 à faible capacité thermique concernent notamment l'amorçage rapide du monolithe du catalyseur permettant l'élimination quasi-instantanée des émissions toxiques des gaz. En effet, durant la période transitoire commençant à partir du démarrage du moteur jusqu'à quelques minutes, les échanges thermiques et, donc, de température des gaz d'échappement sont minimisés durant leur parcours dans la tubulure, par le tube composite intérieur. En revanche, durant la période établie ou de croisière, la faible épaisseur du tube composite n'entrave pas l'évacuation de l'énergie calorifique vers la tubulure d'échappement dont les échanges thermiques sont gérés par conductivité, rayonnement et convection vers l'extérieur, ce qui évite ainsi la surchauffe du monolithe du catalyseur.
Des essais ont par ailleurs montré que la montée en température des gaz à l'entrée du catalyseur, avec une tubulure d'échappement équipée du tube composite de l'invention, était cinq fois plus rapide qu'avec une tubulure d'échappement usuelle.
Selon la réalisation de l'élément 14 montré sur la figure 4, la matière 12 est du type fibreux. Dans ce cas, l'espace annulaire 9 contient des enroulements sous forme d'anneaux 12A, de fibres longues (mèches continues) offrant ainsi une rigidité radiale acceptable pour éviter la déformation du tube interne 10. En particulier, ces anneaux de fibres 12A sont régulièrement espacés les uns des autres le long de la paroi extérieure 10A du tube interne 10, en ménageant des intervalles identiques entre eux. Ils présentent par ailleurs une section sensiblement trapézoïdale de sorte que la grande base de chacun d'eux est correctement fixée à la paroi 10A du tube interne par l'intermédiaire d'un adhésif, tel qu'une colle céramique haute température. Sur les petites bases desdits anneaux, correspondant à l'enroulement de la dernière rangée de spires desdites fibres, sont rapportées des bagues 17 qui sont de préférence fendues pour faciliter leur mise en place, lesdites bagues fendues 17 étant là aussi fixées par une colle haute température sur les petites bases correspondantes desdits anneaux.
Une fois l'assemblage "tube interne 10 - anneaux 12A - bagues 17" réalisé, l'ensemble ainsi assemblé est introduit dans le tube externe 11 qui présente, à la différence de celui illustré sur les figures 2 et 3, des fentes latérales semi-débouchantes 11F à ses extrémités 11B, 11C permettant de faciliter le montage.
Lorsque l'ensemble précité est convenablement mis en place par rapport au tube externe 11, l'anneau central 12A et sa bague rapportée 17 se trouve sensiblement dans le plan médian du tube externe, à partir duquel sont respectivement issues de part et d'autre les fentes semi-débouchantes 11F. Des points de soudure 18 immobilisent alors le tube externe 11 de l'ensemble pour constituer l'élément individuel 14 du tube composite 8. Bien entendu, cette réalisation ne nécessite pas d'avoir recours à des bagues 15 et 16 et des saillies radiales 10D et 11D pour maintenir la matière 12. En revanche, les extrémités du tube externe 11 peuvent être toutes les deux coudées vers l'intérieur pour former des rabats 11E venant sensiblement contre des rabats correspondants, lorsque les éléments 14 sont emboítés les uns dans les autres.
En cours de fonctionnement, les allongements différentiels des tubes 10 et 11, selon l'axe longitudinal, sont autorisés par le glissement des bagues 17, entraínées par les anneaux 12A, le long du tube externe 11. Ces allongements différentiels sont en outre répartis respectivement de part et d'autre du plan médian du tube externe, du fait de la fixation rigide de la bague centrale 17 à celui-ci, ce qui est mécaniquement plus satisfaisant. Quant aux allongements radiaux, moins amples, ils sont absorbés par les anneaux de fibres, non solidaires les unes des autres.
Les avantages procurés par cette variante de réalisation du tube composite, illustrée sur la figure 4, sont analogues à ceux produits par la réalisation antérieure illustrée sur les figures 2 et 3. Toutefois, cette variante permet aisément d'optimiser mécaniquement et thermiquement le tube composite en jouant notamment sur la forme (section) des anneaux fibreux, leur nombre autrement dit leur pas, l'arrangement des mèches (tangentes ou croisées) et la nature des fibres.

Claims (12)

  1. Tubulure d'échappement pour dispositif d'échappement de gaz à catalyse comportant un collecteur des gaz (2) et un catalyseur (5), ladite tubulure (4) étant située entre ledit collecteur et ledit catalyseur et pourvue d'un tube composite (8) qui est constitué d'un tube interne et d'un tube externe définissant entre eux un espace sensiblement annulaire,
    caractérisée en ce que ledit tube composite (8) est logé à l'intérieur de ladite tubulure d'échappement (4), le tube externe venant sensiblement au contact de ladite tubulure, et en ce que lesdits tubes interne (10) et externe (11) présentent des parois minces (10A, 11A) dont l'épaisseur est inférieure à 0,3 millimètre.
  2. Tubulure selon la revendication 1,
    caractérisée en ce que l'épaisseur des parois desdits tubes interne (10) et externe (11) est de l'ordre de 0,15 à 0,20 millimètre.
  3. Tubulure selon l'une des revendications 1 ou 2,
    caractérisée en ce que lesdits tubes interne (10) et externe (11) sont réalisés en acier inoxydable.
  4. Tubulure selon l'une des revendications 1 à 3,
    caractérisée en ce que, dans ledit espace annulaire (9) délimité par lesdits tubes externe (11) et interne (10), est agencée une matière à faible capacité thermique et à faible densité (12), se présentant sous forme particulaire ou fibreuse.
  5. Tubulure selon la revendication 4,
    caractérisée en ce que la capacité thermique de ladite matière est de l'ordre de 0,25 kcal/kg et sa densité au plus égale à 0,3.
  6. Tubulure selon l'une des revendications 4 ou 5,
    caractérisée en ce que des bagues (15, 16) sont prévues aux extrémités desdits tubes interne (10) et externe (11), obturant ledit espace annulaire (9) pour enfermer ladite matière (12).
  7. Tubulure selon la revendication 6,
    caractérisée en ce que, dans chaque extrémité desdits tubes (10, 11), sont logées une bague isolante souple (15), montée dans ledit espace et venant au contact de ladite matière à faible capacité thermique et à faible densité (12), et une bague thermiquement résistante, rigide (16), montée dans ledit espace et venant au contact de ladite bague isolante souple (15).
  8. Tubulure selon l'une des revendications 4 ou 5,
    caractérisée en ce que des enroulements fibreux de matière (12) sont fixés à l'extérieur dudit tube interne (10), et espacés les uns des autres par des intervalles libres, ledit tube externe venant sensiblement au contact desdits enroulements fibreux de matière.
  9. Tubulure selon la revendication 8,
    caractérisée en ce que lesdits enroulements sont définis par une pluralité d'anneaux fibreux (12A) entourant fixement et à intervalles réguliers ledit tube interne, et présentant une section trapézoïdale ou analogue, des bagues (17) étant rapportées autour desdits anneaux fibreux pour s'engager dans le tube externe (11) et être fixées, par au moins l'une de celles-ci, audit tube externe.
  10. Tubulure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,
    caractérisée en ce qu'il est constitué par une pluralité d'éléments individuels (14), susceptibles d'être assemblés les uns aux autres.
  11. Tubulure selon la revendication 10,
    caractérisée en ce que chaque élément individuel (14) comprend des tubes externe (11) et interne (10) à parois minces, et une matière à faible capacité thermique et à faible densité (12) disposée entre lesdits tubes.
  12. Tubulure selon la revendication 11,
    caractérisée en ce que, lorsque deux éléments individuels sont assemblés, les extrémités correspondantes (10B, 10C) des tubes internes sont emboítées l'une dans l'autre, tandis que les extrémités correspondantes (11B, 11C) des tubes externes sont en butée l'une contre l'autre.
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