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Tubulure d'échappe~.en. pour dispos tif d'échappement à catalyse.
La présente invention concerne une tubulure d'échappement
pcur un dispositif d'échappement à catalyse pour moteur
thermique, ainsi qu'un tube composite, notamment destiné,
quoique non exclusivement, à être associé à ladite tubulure
d'échappement.
En raison de l'instauration de nouvelles normes anti-
pollution, 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
10 rejets dans 1'atmosphère de gaz de combustion plus ou moins
toxiques, afin de préserver et de respecter au mieux l'envi-
ronnement.
Pour cela, le catalyseur ou pot catalytique des dispositifs
d'échappement est raccordé à la sortie de la tubulure
15 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 recou-
vertes d'alumine et de métaux précieux (platine, rhodium,
etc ...) qui agissent, par cat21yse, notamment sur le
monoxyde de carbone, les oxydes d'azote et les hydrocarbures
imbrulés, 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 fonc-
tionne au moins depuis plusieurs minutes, de façon que le
30 monolithe soit suffisamment chauff2 par les gaz pour initier
les réactions par catalyse. Par conséquent, tant que le
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monolithe n'atteint pas une temperature donnée, les gaz
sortant du moteur, bien que traversant le catalyseur, ne
sont pas traites. 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
10 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
15 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 sur-
chauffer le catalyseur si la température des gaz atteint
environ 1000C.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé-
nients et concerne une tubulure d'échappement pour un
30 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.
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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 annu-
laire, 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
10 contact de ladite tubulure, et en ce que lesdits tubes
interne et externe présentent des parois minces dont l'épais-
seur 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
15 rapide du catalyseur au moment du démarrage à froid du
véhicule et après chaque arrêt, puisque l'énergie calorifi-
que 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
20 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
25 aux échanges thermiques entre les gaz et la tubulure d'échap-
pement 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
30 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 a l'intérieur de ladite tubulure d'échappe-
ment, on permet une mise en action rapide du catalyseur
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lorsque le moteur est froid, tout en évitant les risques de
surchauffe, lorsque le moteur est chaud.
L'invention concerne également un tube composite du type
comportant un tube interne et un tube externe qui définis-
sent entre eux un espace sensiblement annulaire, et destinéà être associé à la tubulure d'échappement d'un dispositif
d'échappement de gaz à catalyse, située entre un collecteur
desdits gaz et un catalyseur du dispositif. Il est alors
remarquable en ce que l'épaisseur des parois desdits tubes
10 interne et externe est inférieure à 0,3 millimètre et en ce
que le diamètre extérieur dudit tube externe est au plus
égal au diamètre intérieur de ladite tubulure.
Avantageusement, l'épaisseur des parois desdits tubes
interne et externe est de l'ordre de 0,15 à 0,20 millimètre.
15 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
20 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'échappe-
ment, via le tube externe, les efforts engendrés par le
passage des gaz sous pression et s'exerçant sur le tube
25 interne mince, pour éviter la déformation de ce dernier. La
matiere intermédiaire joue donc le rôle d'entretoise pour
conserver une tenue mécanique acceptable audit tube compo-
site et elle doit être non conductrice de la chaleur pour ne
pas augmenter la capacité thermique du tube composite.
30 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.
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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 préfé~
rence, 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
10 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
15 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'an-
20 neaux fibreux entourant fixement et à intervalles réguliersledit 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
25 externe.
En raison des différentes formes et longueurs des tubulures
d'échappement, le tube composite est avantageusement consti-
tué par une pluralité d'éléments individuels, susceptibles
d'être assemblés les uns aux autres. Ainsi, on peut adapter
30 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
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sont assemblés, les extrémités correspondantes des tubes
internes sont emboîtées 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 réfé-
rences identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 montre schématiquement un dispositif d'échappe-
ment de gaz à catalyse dont la tubulure d'échappement,
10 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.
15 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
comprend usuellement un collecteur 2 des gaz issus du moteur
20 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'échappe-
ment 6 relié audit catalyseur et comprenant un silencieux 7.
Un tel dispositif d'échappement à catalyse permet ainsi,
25 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 compo-
site 8 qui se compose d'un tube interne 10, d'un tube
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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 concen-
triques et de section circulaire, comme ladite tubulure.
Selon l'invention, le tube composite 8 est logé à l'inte-
rieur de la tubulure d'échappement 4 et les parois lOA et
llA 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'eléments 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 schémati-
que, 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
30 chaque élément sont réalisés en un acier inoxydable résis-
tant 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
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constituée notamment de microsphères de SiO2 ou analogue
compactées ou non, ou du type fibreux, c'est-à-dire compor-
tant notamment des fibres longues de SiO2 ou de Al203, par
exemple. Cette matière doit être réfractaire, résistant à
des températures de 1000C 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 &tre 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
element 14 du tube composite 8 comprend des bagues à ses
extremites annulaires délimitées par les tubes interne 10 et
externe 11. Plus particulièrement, deux bagues 15 sont
montées au voisinage des extrémités lOB, lOC, llB, llC
desdits tubes, dans l'espace annulaire 9, pour contenir
20 ainsi la matière 12 dans l'element 14. Ces bagues 15 sont
réalisées également en une matière isolante souple, ou
semi-souple, ce qui permet la libre dilatation du tube
interne lO par rapport au tube externe 11, aussi bien axiale
que diamétrale, en raison des différences de température
25 apparaissant entre les deux tubes. Par ailleurs, deux autres
bagues 16 sont également montées aux extrémités lOB, lOC,
llB, llC 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,
30 résistante thermiquement et peu sensible aux chocs thermi-
ques, et elles maintiennent les bagues isolantes 15, assu-
rent le centrage des tubes 10 et 11 l'un par rapport à
l'autre et autorisent les allongements relatifs longitudi-
naux et transversaux puisqu'elles sont montées avec jeu dans
35 l'espace annulaire 9 des tubes.
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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 lOD, ménagée au
voisinage de l'extrémité lOB du tube interne, et, de l'autre
coté de l'élément 14, une saillie radiale interne llD
ména~ée au voisinage de l'extrémité llB-, du tube externe.
De plus, on remarque que l'extrémité lOB se trouve dans le
prolongement de la paroi lOA du tube interne 10, tandis que
l'extrémité opposée lOC est légèrement élargie. De même,
10 l'extrémité llB du tube externe 11 se termine par un rabat
llE à angle droit tourné vers l'intérieur, tandis que
l'extrémité opposée llC prolonge la paroi llA. De préfé-
rence, le rabat llE du tube externe se trouve dans un même
plan diamétral que la saillie externe lOD du tube interne,
15 de même que la saillie interne llD est située approximative-
ment au droit du changement de section du tube interne entre
sa paroi lOA et son extrémité lOC. Par conséquent, les
bagues 15 et 16, ainsi que la matière 12, sont maintenues
axialement en place dans l'espace annulaire 9 de chaque
20 elément 14.
Le montage des éléments individuels assemblés 14 est montré
sur la figure 3. L'extrémité lOB d'un élément 14 s'engage
alors à frottement doux dans l'extrémité élargie lOC d'un
autre élément contigu, ce qui assure leur emboîtement
25 jusqu'au moment où l'extrémité rabattue llE du tube externe
11 de l'élément vient en butée contre l'extrémité llC de
l'autre élément.
Le tube composite 8 à éléments individuels constitue ainsi
un système modulaire qui permet de "tapisser" aisément
30 l'intérieur de la tubulure d'échappement 4.
Les avantages procurés par l'agencement d'un tel tube
composite 8 à faible capacité thermi~ue concernent notamment
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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'échap-
pement 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 calorifi-
10 que vers la tubulure d'échappement dont les échanges thermi-
ques 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 tempéra-
15 ture 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'échappe-
ment usuelle.
Selon la réalisation de l'élément 14 montré sur la figure 4,
20 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 tmèches continues) offrant ainsi une
rigidité radiale acceptable pour éviter la déformation du
tube interne lO. En particulier, ces anneaux de fibres 12A
25 sont régulièrement espacés les uns des autres le long de la
paroi extérieure lOA du tube interne lO, en ménageant des
intervalles identiques entre eux. Ils présentent par ail-
leurs une section sensiblement trapézoïdale de sorte que la
grande base de chacun d'eux est correctement fixée à la
30 paroi lOA 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
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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 tu~e externe 11 qui présente, à la différence de
celui illustré sur les figures 2 et 3, des fentes latérales
semi-débouchantes llF à ses extrémités llB, llC permettant
de faciliter le montage.
lO 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 ll~.
15 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 néces-
site pas d'avoir recours à des bagues 15 et 16 et des
saillies radiales lOD et llD pour maintenir la matière 12.
20 En revanche, les extrémités du tube externe 11 peuvent être
toutes les deux coudées vers l'intérieur pour former des
rabats llE venant sensiblement contre des rabats correspon-
dants, lorsque les éléments 14 sont emboîtés les uns dans
les autres.
25 En cours de fonctionnement, les allongements différentiels
des tubes 10 et 11, selon l'axe longitudinal, sont autorisés
par le glissement des bagues 17, entraînées par les anneaux
12A, le long du tube externe 11. Ces allongements différen-
tiels sont en outre répartis respectivement de part et
30 d'autre du plan médian du tube externe, du fait de la
fixation rigide de la bague centrale 17 a celui-ci, ce qui
est mécaniquement plus satisfaisant. Quant aux allongements
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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 aisé-
ment 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'ar-
rangement des meches (tangentes ou croisées) et la naturedes fibres.
