Brevet FR2656376A1 — publié le 19910628

Pot d'échappement, notamment catalytique, pour les gaz brûlés de moteurs à combustion interne La présente invention concerne l'industrie des moteurs à combustion interne et plus particulièrement le traitement de leurs gaz brûlés, avant rejet dans l'atmosphère, pour une moindre pollution sonore et chimique. Ce traitement des gaz est effectué dans des enceintes dites "pots d'échappement" o les gaz subissent une détente, qui abaisse le niveau sonore lors de l a mise à l'atmosphère, et éventuellement une combustion complémentaire des imbrûlés qu'ils renferment, par contact avec des catalyseurs d'oxydation à base de métaux précieux. Dans la réalisation industrielle des pots d'échappement on recherche le maximum d'efficacité dans un minimum de place, à un moindre coût, pour une conception se prêtant à une fabrication en série, de bonne résistance à l'usage. Les pots d'échappement classiques sont généralement réalisés en tôles formées pour constituer une série de chicanes et de chambres de détente, renfermant éventuellement un remplissage en fibres minérales pour un bon assourdissement. Les pots catalytiques renferment le plus souvent un bloc catalytique en céramique poreuse imprégnée de catalyseur, qui présente l'inconvénient d'être friable et de créer une importante perte de charge obligeant à adopter des dimensions supérieures à celles que permettraient les possibilités catalytiques afin de ne pas freiner indûment l'échappement du moteur et par suite son rendement. On a proposé des pots d'échappement formés par superposition de tôles susceptibles de recevoir un revêtement catalytique et ménageant entre elles une pluralité de canaux de passage des gaz en écoulement laminaire, ce qui permet d'atteindre une bonne partie du but poursuivi De tels pots sont notamment décrits dans le brevet français n' 2 617 203 o les canaux sont formés entre des rondelles tronconiques canelées empilées, ainsi que dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 186 172 o les canaux sont formés entre deux feuillards, l'un lisse et l'autre ondulé, enroulés conjointement en un cylindre. Cependant, on a pu constater que l'efficacité de tels pots est bien meilleure, surtout du point de vue catalytique, en écoulement turbulent plutôt qu'en écoulement laminaire des gaz. L'invention a donc pour but la réalisation industrielle de pots d'échappement métalliques améliorés notamment par l'utilisation d'une nouvelle architecture créant un écoulement turbulent ralentissant le courant gazeux sans perte de charge excessive et favorisant un contact homogène des gaz avec les parois revêtues de catalyseur. L'invention a pour objet un pot d'échappement notamment catalytique pour les gaz brûlés de moteurs à combustion interne, comprenant une enceinte tubulaire renfermant au moins une structure métallique alvéolaire formée par superposition de feuillards métalliques à surfaces de reliefs différents, portant éventuellement un revêtement catalytique et déterminant entre eux des canaux tubulaires multiples parcourus par les gaz; pot caractérisé en ce que les reliefs d'une face d'un feuillard forment un réseau de demicanaux parallèles dans le sens général d'écoulement des gaz, tandis que la face affrontée d'un autre feuillard forme un réseau complémentaire de circulation transversale des gaz reliant entre eux au moins les demicanaux parallèles mitoyens, créant ainsi les déviations répétitives matérielles et fluidiques à l'écoulement des gaz, génératrices de turbulences. Suivant un mode de réalisation, les reliefs d'au moins un des feuillards forment des rainures disposées en chevrons Les feuillards superposés peuvent avoir le même relief en chevrons mais avec un décalage de motif des surfaces affrontées. Dans un autre mode de réalisation, la structure métallique est formée par alternance de deux feuillards dont l'un présente des ondulations régulières parallèles à la direction générale d'écoulement des gaz et l'autre un gaufrage moins profond et ne concordant pas, au moins partiellement, avec les ondulations des feuillards qui l'encadrent. Le gaufrage peut former sur chaque face des rainures, non paral lèles aux ondulations, ou des protubérances en plots séparés, régulièrement répartis. On obtient une bonne maniabilité pour le façonnage des structures avec des ondulations d'une profondeur environ cinq à dix fois plus grande que celle du gaufrage. Il est avantageux que les surfaces des feuil lards soient rugueuses, aussi bien pour freiner l'écoulement des gaz que pour l'accrochage d'un revêtement catalytique sur le métal des feuillards, et que pour le contact du catalyseur avec les gaz, les rugosités, uniformément réparties ayant une profondeur d'environ 0,002 millimètre. Suivant une forme constructive, la structure alvéolaire métallique cylindrique est constituée par un enroulement conjoint de deux feuillards, inséré dans un cylindre métallique ouvert aux deux extrémités, caractériséeen ce que les deux feuillards enroulés sont solidarisés l'un à l'autre et au cylindre seulement à leurs points de contact réciproques à l'intérieur d'une zone marginale à chacune des extrémités du cylindre. Dans une autre forme constructive, la structure alvéolaire est formée par empilage à plat de feuillards de même longueur mais de dimensions transversales régulièrement croissantes puis décroissantes d'un côté à l'autre d'une enveloppe cylindrique. Un tel empilage de feuillards peut être maintenu assemblé à au moins une des ses extrémités par une virole métallique à section en L calée contre un épaulement interne de l'enceinte extérieur à l'empilage. En variante, l'empilage peut être maintenu assemblé à au moins une de ses extrémités par un anneau métallique présentant plusieurs replis radiaux lui conférant une élasticité d'insertion d'une de ses tranches contre un épaulement interne de l'enceinte à l'extérieur de l'empilage et une portée de sa tranche opposée contre la tranche contiguë des feuillards empilés. On obtient une efficacité encore améliorée en répartissant la structure alvéolaire en une pluralité de tronçons, séparés par des espaces libres et disposés en série, traversés successivement par les gaz. La structure alvéolaire d'un pot suivant l'invention peut être avantageusement formée de feuillards en acier inoxydable réfractaire à forte teneur en aluminium, élaboré par la technique de coulée directe sur roue, oxydé thermiquement et recouvert d'un revêtement alumineux supportant un catalyseur Un tel matériau connu en lui-même, notamment par les demandes de brevet euro- péen n'O 232 793 et O 243 702 se prête particulièrement bien au formage des feuillards dans la réalisation de l'invention ainsi qu'à la résistance des pots d'échappe- ment aux chocs mécaniques et thermiques subis en cours d'utilisation, notamment lorsqu'ils sont montés sur des véhicules automobiles. Dans le cas d'une structure réalisée par empi- lage, il est particulièrement avantageux d'utiliser de l'acier inoxydable aluminié, car ce type de structure ne nécessite pas d'opération de brasage On pourra utiliser en ce cas des feuillards en acier inoxydable stabilisé à 18 % de chrome, d'environ 0,06 à 0,08 millimètre d'épais- seur y compris un dépôt d'aluminium d'environ 0,01 à 0,02 millimètre d'épaisseur. L'invention pourra être plus aisément comprise par l'examen et la description détaillée des dessins annexés qui représentent quelques modes de réalisation de l'invention, choisis simplement à titre d'exemple parmi les nombreuses formes d'exécution, adaptations et varian- tes de l'invention accessibles à un technicien averti. Sur ces dessins: la figure 1 est une vue schématique, en pers- pective, avec des parties arrachées pour une meilleure illustration, d'un premier mode de réalisation de pot d'échappement suivant l'invention; la figure 2 est une vue schématique, par dessus, avec un demi-carter enlevé, du pot d'échappement de la figure 1; la figure 3 est une vue schématique, en perspective, avec une partie de l'enveloppe arrachée, d'une variante du pot d'échappement de la figure 1; la figure 4 est une vue schématique partielle en perspective d'un ensemble de deux feuillards superpo- sés, à reliefs en chevrons; la figure 5 est une vue schématique, en perspective et partielle d'un autre ensemble de deux feuillards affrontés dans un pot d'échappement suivant l'invention; la figure 6 est une vue analogue à celle de la figure 5, d'une variante; la figure 7 est une vue schématique en pers- pective et partielle, d'une autre variante avec superpo- sition de trois feuillards; la figure 8 est une vue schématique, en pers- pective d'une forme de structure alvéolaire cylindrique suivant l'invention; et la figure 9 est une vue schématique, par dessus, avec demi-carter enlevé, d'un autre mode de réalisation d'un pot d'échappement suivant l'invention à structure alvéolaire répartie en plusieurs tronçons. Sur ces figures, les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références numériques, éven- tuellement affectées d'un indice Les dimensions et les proportions respectives de ces éléments peuvent ne pas être respectées pour rendre les dessins plus lisibles. Les flèches indiquent les sens privilégiés d'écoulement des gaz. Le pot d'échappement représenté sur les figures 1 et 2 comprend essentiellement une enceinte 1 cylindro- bicônique, formée par assemblage classique de deux demi- carters dont un seul est représenté, qui renferme une structure métallique alvéolaire 2, dont un secteur a été enlevé pour permettre de mieux comprendre son architectu- re La structure 2 est formée par un empilage à plat de feuillards 3 de même longueur, mais de largeur croissante puis décroissante, d'un c 8 té à l'autre de la structure 2 pour former une enveloppe cylindrique au volume intérieur de l'enceinte 1 Cet empilage est maintenu à chacune de ses extrémités par un anneau 4, 4 a, métallique, présentant quatre replis radiaux 5 insérés entre les tranches de l'empilage et un épaulement 6,6 a interne de l'enceinte 1 Ces replis 5 donnent de l'élasticité aux anneaux 4,4 a et en éloignant la majeure partie de leur circonférence de la paroi latérale de l'enceinte 1, offrant ainsi une butée presque continue aux tranches des feuillards 3 et un calage efficace de la structure 2 en- tre les épaulements 6, 6 a. Dans la variante de la figure 3, l'enceinte la est formée d'un réceptacle 7 cylindro-c 8 nique sur lequel s'emboîte une coiffe tronconique 8 La structure alvéolaire 2 a, analogue à celle des figures 1 et 2, est maintenue à chaque extrémité par une virole 9, 9 a, métallique à section en L dont l'aile radiale 9 vient intérieurement recouvrir marginalement la tranche des feuillards 3 a et extérieurement prend respectivement appui contre l'un des épaulements formés par les rétré- cissements coniques du réceptacle 7 et de la coiffe 8. Les feuillards utilisés, suivant l'invention, pour la réalisation de structures alvéolaires peuvent avoir des reliefs variés, un feuillard présentant des rainures alternées de nervures formant un premier réseau de demi-canaux parallèles dans le sens général d'écoule- ment des gaz, étant entouré de feuillards dont les reliefs déterminent un second réseau de circulation des gaz, non parallèle au premier et mettant en communication les demi-canaux du premier réseau, au moins deux par deux Cette architecture crée des perturbations à l'écou- lement des gaz dans le premier réseau par ingérence des écoulements parasites du second réseau, ce qui provoque les turbulences recherchées pour une meilleure efficacité des pots d'échappement objet de l'invention. Les figures 4 à 7 illustrent quelques exemples d'associations de feuillards convenant à la mise en oeuvre de l'invention Pour une bonne clarté de la repré- sentation seuls deux ou trois feuillards sont dessinés partiellement en superposition, mais il est bien évident qu'il s'agit seulement d'une partie d'un assemblage répé- titif. La figure 4 représente la superposition de deux feuillards 10, 1 Oa, identiques, à reliefs en chevrons déterminant sur chacune de leurs faces un réseau de demi- canaux à tracé ondulé Un décalage longitudinal A entre les deux feuillards assure l'interconnexion des demi- réseaux affrontés, comme représenté et, par suite, leur interaction Les inclinaisons des chevrons par rapport à l'axe général peuvent être d'environ 3 à 200, de préférence 6 . La figure 5 représente la superposition de deux feuillards 11, 12 de reliefs différents Un premier feuillard 11 présente des ondulations régulières 13 parallèles à l'écoulement général des gaz et un second feuillard 12 affronté présente un gaufrage formé de rai- nures 14, 14 a perpendiculaires aux ondulations 13 qu'elles court-circuitent en perturbant leur écoulement. Dans la variante de la figure 6, on retrouve un premier feuillard lla à ondulations régulières 13 a, à sommets plats d'environ 0,15 à 0,20 millimètre de large, analogue au feuillard 11 de la figure 5, mais associé à un second feuillard 12 a présentant un gaufrage formé de plots 1, la, séparés par exemple d'environ 4 millimètres carrés de surface, régulièrement répartis en quinconce, qui éloignent de la base des ondulations 13 a la face du second feuillard 12 a créant ainsi une interconnexion plus ou moins anarchique, mais répétitive entre les ondulations. La figure 6 représente une superposition de trois feuillards 16 a, 16 b, 16 c à ondulations régulières parallèles analogues mais d'orientations différentes entre feuillards contigus Ainsi, sur le dessin, le feuillard 16 a est orienté à gauche tandis que les feuil- lards 16 b et 16 c qui l'encadrent sont orientés à droite. Les croisements des rainures affrontées créent leur interconnexion génératrice de turbulences. En pratique, on utilisera avantageusement des feuillards en acier inoxydable réfractaire à forte teneur en aluminium d'environ 0,03 à 0,08 millimètre d'épaisseur à surface rugueuse présentant les uns 11, lia, 17 des ondulations d'environ 1 millimètre de profondeur et les autres 12, 12 a un gaufrage d'environ 0,15 à 0,20 millimètre de creux De tels feuillards peuvent être enroulés en spirale sur eux-mêmes, parallèlement à l'axe des ondulations. La figure 8 représente une structure alvéolaire 2 b cylindrique constituée par un enroulement 3 b conjoint de deux feuillards superposés, tels ceux des figures 4 à 7, insérés dans un cylindre métallique 17 Les feuillards sont solidarisés l'un à l'autre et au cylindre, seulement à leurs points de contact réciproques par soudure à l'intérieur des zones marginales 18, 18 a matérialisées par des hachures à chacune des extrémités du cylindre 17. On dispose ainsi d'une structure alvéolaire rigide, de stockage et manipulation aisés parce que non fragile et facile à réaliser par les techniques connues de brasage notamment dans un four. La figure 9 représente une autre forme de réalisation d'un pot d'échappement suivant l'invention, dont l'enceinte lb en deux demicarters, analogue à celle de la figure 1, renferme quatre structures alvéolaires partielles 2 c, 2 c', 2 c", 2 c "t, par exemple telles que celles des figures 1, 3 et 8, calées dans des logements de l'enceinte lb et séparées par des intervalles 19, 19 ', 19 " qui facilitent le passage des gaz et une meilleure efficacité de chaque structure alvéolaire partielle. REVENDICATIONS 1 Pot d'échappement, notamment catalytique, pour les gaz brûlés de moteurs à combustion interne, comprenant une enceinte tubulaire ( 1), renfermant au moins une structure métallique alvéolaire ( 2) formée par superposition de feuillards métalliques ( 3) à surfaces de reliefs différents, portant éventuellement un revêtement catalytique et déterminant entre eux des canaux tubulaires multiples parcourus par les gaz; pot caractérisé en ce que les reliefs d'une face d'un feuillard ( 10, 11, 16) forment un réseau de demi-canaux parallèles dans le sens général d'écoulement des gaz, tandis que la face affrontée d'un autre feuillard ( 10, 12, 16) forme un réseau complémentaire de circulation transversale des gaz reliant entre eux au moins les demi-canaux parallèles mitoyens, créant ainsi les déviations répétitives matérielles et fluidiques à l'écoulement des gaz, génératrices de turbulences. 2 Pot, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les reliefs d'au moins un des feuillards ( 10, 10 a) forme des rainures disposées en chevrons. 3 Pot suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les feuillards superposés ont le même relief en chevrons mais avec un décalage (A) de motif des surfaces affrontées des feuillards ( 10, 10 a). 4 Pot, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la structure métallique est formée par alternance de deux feuillards dont l'un ( 11, la) présente des ondulations ( 13, 13 a) régulières parallèles à l.a direction générale d'écoulement des gaz et l'autre ( 12, 12 a) un gaufrage ( 14, 15) moins profond et ne concordant pas, au moins partiellement, avec les ondulations des feuillards qui l'encadrent. 5 Pot, suivant la revendication 4, il caractérisé en ce que le gaufrage forme des rainures ( 14, 14 a) non parallèles aux ondulations ( 13). 6 Pot, suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le gaufrage forme des protubérances en plots ( 15, 15 a) séparés régulièrement répartis. 7 Pot, suivant l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les ondulations ( 12, 12 a) ont une profondeur environ 5 à 10 fois plus grande que celle du gaufrage ( 14, 15). 8 Pot, suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les feuillards ont une épaisseur d'environ 0,03 à 0,08 millimètre, les ondulations ont une profondeur d'environ 1 millimètre et le gaufrage a une profondeur d'environ 0,15 à 0,20 millimètre. 9 Pot, suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les surfaces des feuillards présentent des rugosités uniformément réparties, d'une profondeur d'environ 0,002 millimètre. Pot, suivant l'une des revendications 1 à 9, dont la structure alvéolaire ( 2 b)métallique cylindrique est constituée par un enroulement conjoint de deux feuillards ( 3 b), inséré dans un cylindre métallique ( 17) ouvert aux deux extrémités, caractérisé en ce que les deux feuillards enroulés ( 3 b) sont solidarisés l'un à l'autre et au cylindre ( 17) seulement à leurs points de contact réciproques à l'intérieur d'une zone marginale ( 18, 18 a) à chacune des extrémités du cylindre. 11 Pot, suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la structure alvéolaire ( 2, 2 a) est formée par empilage à plat de feuillards ( 3) de même longueur mais de dimensions transversales régulièrement croissantes puis décroissantes d'un côté à l'autre d'une enveloppe cylindrique. 12 Pot, suivant la revendication 11, caractérisé en ce que l'empilage de feuillards est maintenu assemblé à au moins une de ses extrémités par une virole métallique ( 9, 9 a) à section en L calée contre un épaulement interne de l'enceinte à l'extérieur de l'empilage. 13 Pot, suivant la revendication 11, caractérisé en ce que 1 'empilage de feuillards est maintenu assemblé à au moins une de ses extrémités par un anneau métallique ( 4, 4 a) présentant plusieurs replis radiaux ( 5) lui conférent une élasticité d'insertion d'une de ses tranches contre un épaulement interne ( 6) de l'enceinte à l'extérieur de l'empilage et une portée de sa tranche opposée contre la tranche contiguë des feuillards ( 3) empilés. 14 Pot, suivant l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que sa structure alvéolaire est répartie en une pluralité de tronçons ( 2 c), séparés par des espaces libres ( 19) et disposés en série, traversés successivement par les gaz. Pot, suivant l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que sa structure alvéolaire est formée de feuillards en acier inoxydable réfractaire à forte teneur en aluminium, élaboré par la technique de coulée directe sur roue> à surface abrasée, oxydé thermiquement et recouvert d'un revêtement alumineux supportant un catalyseur.