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EP0706608A1 - Tubulure d'echappement pour dispositif d'echappement a catalyse - Google Patents

Tubulure d'echappement pour dispositif d'echappement a catalyse

Info

Publication number
EP0706608A1
EP0706608A1 EP95918048A EP95918048A EP0706608A1 EP 0706608 A1 EP0706608 A1 EP 0706608A1 EP 95918048 A EP95918048 A EP 95918048A EP 95918048 A EP95918048 A EP 95918048A EP 0706608 A1 EP0706608 A1 EP 0706608A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tube
tubes
internal
external
composite tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP95918048A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0706608B1 (fr
Inventor
Maurice Canevet
Michel Fouquembergh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Group SAS
Original Assignee
Airbus Group SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Group SAS filed Critical Airbus Group SAS
Publication of EP0706608A1 publication Critical patent/EP0706608A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0706608B1 publication Critical patent/EP0706608B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/14—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having thermal insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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    • F01N13/14—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having thermal insulation
    • F01N13/141—Double-walled exhaust pipes or housings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/16—Selection of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2310/00—Selection of sound absorbing or insulating material
    • F01N2310/02—Mineral wool, e.g. glass wool, rock wool, asbestos or the like

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust pipe for a catalyzed exhaust device for a heat engine, as well as a composite tube, in particular intended, although not exclusively, to be associated with said exhaust pipe.
  • a catalyst is made up of a rigid envelope inside which is arranged a block or monolith of ceramic with cells covered with alumina and precious metals (platinum, rhodium, etc.) which act, by catalysis, in particular on carbon monoxide, nitrogen oxides and unburnt hydrocarbons, to annihilate their harmful constituents and transform them into non-harmful discharges.
  • the catalyst is only effective when it reaches a certain temperature (several hundred degrees), that is to say when the engine has been operating for at least several minutes, so that the monolith is sufficiently heated by the gases to initiate the reactions by catalysis. Therefore, as long as the monolith does not reach a given temperature, the gases leaving the engine, although passing through the catalyst, are not treated.
  • the catalyst is often far from the collector due to the design of the vehicles and safety criteria, its rise in temperature, which is effected by the gases passing through the tubing, is all the longer.
  • the heat exchanges are carried out firstly through the exhaust pipe having a high thermal capacity due to the thickness of its wall of the order of 2 to 3 millimeters, so that the temperature rise time of the catalyst is therefore too great, at the time of the cold start of the vehicle;
  • the thermal capacity of the tubing is high and the composite tube surrounds said tubing, so that the heat energy of the gases, when the engine is warm, is not sufficiently evacuated, risking over ⁇ heat the catalyst if the gas temperature reaches approximately 1000 ° C.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks and relates to an exhaust pipe for a catalytic gas exhaust device, equipped with a composite tube whose design greatly promotes the rise in temperature of the catalyst at the time starting the engine, while not interfering with heat exchange when the engine is hot.
  • the exhaust pipe for a catalysis gas exhaust device comprising a gas manifold and a catalyst, said pipe being located between said manifold and said catalyst and provided with a composite tube which consists of a internal tube and an external tube defining between them a substantially annular space, is remarkable, according to the invention, in that said composite tube is housed inside said exhaust pipe, the external tube coming substantially in contact with said tubing, and in that said inner and outer tubes have thin walls whose thickness is less than 0.3 millimeter.
  • this arrangement allows a rapid rise in temperature of the catalyst at the time of the cold start of the vehicle and after each stop, since the energy calorifi ⁇ that gases is almost directly transferred to the catalyst, without having to overcome the significant thermal capacity of the tubing.
  • the catalyst monolith is then operational in a reduced priming time.
  • the composite tube when the vehicle engine is hot, and since the composite tube is thin and configurable in thermal transfer, giving the latter a low thermal resistance, the composite tube does not prevent heat exchanges between the gases and the manifold. 'exhaust which can thus freely dissipate the heat to the outside by conventional heat exchanges. Thus, overheating of the monolith which can lead to its destruction is avoided. Consequently, by the use of internal and external tubes with thin walls, giving the composite tube a low mass and therefore a low thermal resistance at high temperature, and by the arrangement of said composite tube inside said tubing. escape, a rapid activation of the catalyst is allowed when the engine is cold, while avoiding the risk of overheating, when the engine is hot.
  • the invention also relates to a composite tube of the type comprising an internal tube and an external tube which define between them a substantially annular space, and intended to be associated with the exhaust manifold of a gas exhaust device with catalysis, located between a collector of said gases and a catalyst of the device. It is then remarkable in that the thickness of the walls of said internal and external tubes is less than 0.3 millimeter and in that the external diameter of said external tube is at most equal to the internal diameter of said tubing.
  • the thickness of the walls of said internal and external tubes is of the order of 0.15 to 0.20 millimeters.
  • said internal and external tubes are made of stainless steel.
  • a material with low thermal capacity and low density being in particulate or fibrous form.
  • the main purpose of this material is to transfer the forces generated by the passage of gases under pressure and exerted on the thin internal tube to the exhaust pipe, via the external tube, to avoid deformation of this material.
  • the intermediate material therefore acts as a spacer to maintain an acceptable mechanical strength for said composite tube and it must be non-conductive of heat so as not to increase the thermal capacity of the composite tube.
  • the thermal capacity of said material can be of the order of 0.25 cal / kg and its density at most equal to 0.3.
  • rings are provided at the ends of said inner and outer tubes, closing off said annular space to enclose said material.
  • a flexible insulating ring mounted in said space and coming into contact with said material of low thermal capacity and low density
  • a rigid thermally resistant ring mounted in said space and coming into contact with said flexible insulating ring.
  • the flexible insulating rings allow in particular the free expansion of the external and internal tubes, while the rigid rings ensure the centering of said tubes.
  • fibrous windings can be fixed outside of said internal tube and spaced from one another by free intervals, said external tube coming substantially into contact with the fibrous windings.
  • the latter are defined by a plurality of fibrous rings fixedly surrounding and at regular intervals said internal tube, and having a trapezoidal section or the like, rings being attached around said fibrous rings to engage in said external tube and be fixed, by at least one of these, to said external tube.
  • each individual element comprises external and internal tubes with thin walls, and a material with low thermal capacity and low density disposed between said tubes. Furthermore, when two individual elements are assembled, the corresponding ends of the internal tubes are fitted one inside the other, while the corresponding ends of the external tubes are in abutment against one another.
  • Figure 1 schematically shows a device for escaping catalysis gas, the exhaust manifold of which, in accordance with the invention, is provided with a composite tube.
  • FIG. 2 represents an exemplary embodiment of one of the individual elements constituting said composite tube.
  • Figure 3 shows individual elements of said tube, mounted in said exhaust manifold.
  • Figure 4 shows another embodiment of individual elements of said tube, mounted in said exhaust manifold.
  • the exhaust device 1 illustrated in FIG. 1 usually comprises a manifold 2 of the gases from the heat engine 3, an exhaust manifold 4 connected to the manifold, a catalyst or catalytic converter 5 in turn connected to the exhaust manifold and an exhaust pipe 6 connected to said catalyst and comprising a silencer 7.
  • a catalyzed exhaust device thus makes it possible, as mentioned above, to reduce the harmful emissions of gases leaving the engine, towards the outside .
  • the exhaust manifold 4 is provided with a composite tube 8 which consists of an internal tube 10, a tube external 11 and of a low density material 12, non-conductive of heat, arranged in the annular space 9 delimited by the two tubes 10 and 11, preferably concen ⁇ tric and of circular section, like said tubing.
  • the composite tube 8 is housed inside the exhaust manifold 4 and the walls 10A and 11A which constitute the internal and external tubes are thin so as to have a thickness of less than 0.3 millimeter and preferably between 0.15 and 0.20 millimeters.
  • the composite tube 8 consists of a plurality of individual elements or sections 14 assembled one after the other in the straight parts of the exhaust pipe 4 which generally has a bend, to ensure the connection between the outlet of the manifold 2 and the inlet of the catalyst 5.
  • FIG. 1 showing the device 1 schematically, that the pipe 4 is straight, but it goes without saying that, in reality, it is bent.
  • the composite tube 8, formed of the individual elements 14 has an external diameter, defined by the external tube 11 of each element, at most equal to the internal diameter of the wall 4A of the tube 4 to allow their mounting in the latter. Also, to keep the same cross section of the gases coming from the engine, the inside diameter of the pipe 4 is increased, of the order for example of 10 millimeters, so that the inside diameter of the internal tube of each element is then identical to that of current tubing.
  • the inner 10 and outer 11 tubes of each element are made of a stainless steel thus resis ⁇ so to the high temperatures of the exhaust gases.
  • the material with low thermal capacity and low density can be, for its part, of the particulate type, that is to say consisting in particular of Si02 or analogous microspheres compacted or not, or of the fibrous type, that is to say comprising in particular long fibers of Si02 or A1203, for example.
  • This material must be refractory, resistant to temperatures of 1000 ° C or more, light and relatively flexible, and capable of transmitting the mechanical forces from the internal tube to the external tube and, therefore, to the tubing, without penalizing the thermal capacity of the composite tube, in particular that of the internal tube 10.
  • the density of the material is less than 300 kg / m 3, while its thermal capacity can be of the order of 0.25 kcal / kg or less.
  • each element 14 of the composite tube 8 comprises rings at its annular ends delimited by the internal 10 and external tubes 11. More particularly, two rings 15 are mounted in the vicinity of the ends 10B, 10C, 11B, 11C of said tubes, in the annular space 9, to thus contain the material 12 in the element 14. These rings 15 are also made of a flexible insulating material, or semi-flexible, which allows the free expansion of the internal tube 10 relative to the external tube 11, both axial and diametrical, due to the temperature differences appearing between the two tubes. Furthermore, two other rings 16 are also mounted at the ends 10B, 10C, 11B, 11C of each element coming into contact with the insulating rings 15.
  • the rings 16 are made of a rigid material, such as a dense ceramic based on alumina, thermally resistant and not very sensitive to thermal shock, and they maintain the insulating rings 15, ensure the centering of the tubes 10 and 11 relative to each other and allow the relative longitudinal elongations and transverse since they are mounted with clearance in the annular space 9 of the tubes. Also, to immobilize said rings axially with respect to the tubes of the element, there is provided, on one side of the element 14, an external radial projection 10D, formed in the vicinity of the end 10B of the internal tube, and, on the other side of the element 14, an internal radial projection 11D formed in the vicinity of the end 11B, of the external tube.
  • the end 10B is located in the extension of the wall 10A of the internal tube 10, while the opposite end 10C is slightly enlarged.
  • the end 11B of the outer tube 11 ends in a flap 11E at right angles facing inwards, while the opposite end 11C extends the wall 11A.
  • the flap 11E of the external tube is in the same diametral plane as the external projection 10D of the internal tube, just as the internal projection 11D is located approximately at the change of section of the internal tube between its wall 10A and its end 10C. Consequently, the rings 15 and 16, as well as the material 12, are held axially in place in the annular space 9 of each element 14.
  • FIG. 3 The assembly of the individual assembled elements 14 is shown in FIG. 3.
  • the end 10B of an element 14 then engages with gentle friction in the enlarged end 10C of another contiguous element, which ensures their nesting up to when the folded end 11E of the outer tube 11 of the element abuts against the end 11C of the other element.
  • the composite tube 8 with individual elements thus constitutes a modular system which makes it possible to easily "line” the interior of the exhaust manifold 4.
  • the material 12 is of the fibrous type.
  • the annular space 9 contains windings in the form of rings 12A, of long fibers (continuous wicks) thus offering an acceptable radial rigidity to avoid deformation of the internal 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 have a substantially trapezoidal section so that the large base of each of them is correctly fixed to the wall 10A of the internal tube by means of an adhesive, such as a 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 reported rings 17 which are preferably split to facilitate their installation, said split rings 17 there again being fixed by a high temperature adhesive on the corresponding small bases of said rings.
  • the central ring 12A and its attached ring 17 is located substantially in the median plane of the outer tube, from which are respectively issued from both sides the semi-through slots 11F.
  • Welding points 18 then immobilize the outer tube 11 of the assembly to constitute the individual element 14 of the composite tube 8.
  • this embodiment does not require the use of rings 15 and 16 and projections radial 10D and 11D to hold the material 12.
  • the ends of the external tube 11 can both be bent inwardly to form flaps 11E coming substantially against corresponding flaps, when the elements 14 are fitted together into each other.
  • the differential elongations of the tubes 10 and 11, along the longitudinal axis, are authorized by the sliding of the rings 17, driven by the rings 12A, along the outer tube 11.
  • These differential elongations are furthermore distributed respectively on either side of the median plane of the outer tube, due to the rigid attachment of the central ring 17 to the latter, which is mechanically more satisfactory.
  • the extensions radial less ample, they are absorbed by the rings of fibers, not integral with each other.
  • this variant embodiment of the composite tube illustrated in FIG. 4, are similar to those produced by the previous embodiment illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • this variant makes it easy to mechanically and thermally optimize the composite tube playing in particular on the shape (section) of the fibrous rings, their number, in other words their pitch, the arrangement of the wicks (tangent or crossed) and the nature of the fibers.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne notamment une tubulure d'échappement pour un dispositif d'échappement de gaz à catalyse comportant un collecteur des gaz et un catalyseur, 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. Avantageusement, 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 lesdits tubes interne (10) et externe (11) présentent des parois minces (10A, 11A) dont l'épaisseur est inférieure à 0,3 millimètre.

Description

Tubulure d'échappement pour dispositif d'échappement à catalyse.
La présente invention concerne une tubulure d'échappement pour un dispositif d'échappement à catalyse pour moteur theririque, 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 rejets dans l'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 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 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 fonc¬ tionne 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 sur¬ chauffer le catalyseur si la température des gaz atteint environ 1000°C.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé¬ nients 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 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 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 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 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'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 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'échappe¬ ment, 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.
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 destiné à 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 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. 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'échappe¬ ment, 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 compo¬ site 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 cal/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 espaça 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 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'an- neaux 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 consti¬ tué 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 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, 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'échappe¬ ment 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 compo¬ site 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 concen¬ triques et de section circulaire, comme ladite tubulure.
Selon l'invention, le tube composite 8 est logé à l'inté¬ rieur 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 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 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 constituée notamment de microsphères de Si02 ou analogue compactées ou non, ou du type fibreux, c'est-à-dire compor¬ tant notamment des fibres longues de Si02 ou de A1203, 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 a 300 kg/m 3, 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 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 1'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 préfé¬ rence, 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 approximative¬ ment 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 emboîtement 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 1*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'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- 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¬ 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, 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 ail¬ leurs 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 néces¬ site 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 correspon¬ dants, lorsque les éléments 14 sont emboîtés 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, entraînées par les anneaux 12A, le long du tube externe 11. Ces allongements différen¬ tiels 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 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 mèches (tangentes ou croisées) et la nature des fibres.

Claims

REVENDICATIONS
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 compo- site (8) qui est constitué d'un tube interne et d'un tube externe définissant entre eux un espace sensiblement annu¬ laire, caractérisée en ce que ledit tube composite (8) est logé à 1'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. Tube composite, du type comportant un tube interne et un tube externe qui définissent entre eux un espace sensible¬ ment annulaire, et destiné à être associé à la tubulure d'échappement d'un dispositif d'échappement de gaz à cata¬ lyse, située entre un collecteur desdits gaz et un cataly¬ seur du dispositif, caractérisé en ce que l'épaisseur des parois (10A, 11A) desdits tubes interne* (10) et externe (11) est inférieure à 0,3 millimètre et en ce que le diamètre extérieur dudit tube externe (11) est au plus égal au diamètre intérieur de ladite tubulure.
3. Tube composite selon la revendication 2, caractérisé 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.
4. Tube composite selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits tubes interne (10) et externe (11) sont réalisés en acier inoxydable.
5. Tube composite selon l'une des revendications précédentes 2 à 4, caractérisé 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.
6. Tube composite selon la revendication 5, caractérisé 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.
7. Tube composite selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé 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) .
8. Tube composite selon la revendication 7, caractérisé 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) .
9. Tube composite selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé 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 enroule- ments fibreux de matière.
10. Tube composite selon la revendication 9, caractérisé 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.
11. Tube selon l'une quelconque des revendications précéden- tes 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est constitué par une pluralité d'éléments individuels (14), susceptibles d'être assemblés les uns aux autres.
12. Tube selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque élément individuel (14) com¬ prend 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.
13. Tube selon la revendication 12, caractérisé en ce que, lorsque deux éléments individuels sont assemblés, les extrémités correspondantes (10B, 10C) des tubes internes sont emboîtées 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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