Brevet FR2916228A1 — publié le 20081121

Organe d'échappement à conduits séparés La présente invention concerne un organe d'échappement comportant deux conduits ayant deux parois internes en regard ainsi qu'un collecteur d'échappement comportant l'organe d'échappement. Il est connu de former deux conduits adjacents pour le guidage de deux veines gazeuses d'échappement en séparant longitudinalement un tube par une lame centrale. Le contact de ces conduits engendre des contraintes thermiques importantes au niveau de la lame. En effet, lorsque la température des gaz d'échappement atteint une température élevée autour de 900 C à 1000 C et que les conduits sont confinés, la zone de contact des conduits atteint alors des températures proches de celles des gaz d'échappement entraînant des contraintes mécaniques importantes. En effet, la surchauffe provoque une dilatation des conduits qui risquent de rompre dans cette zone de surchauffe. Afin de pallier ce problème, il est connu d'utiliser des tubes comportant des conduits en céramique disposés l'un à côté de l'autre et présentant des surfaces en regard appliquées l'une contre l'autre. Chaque conduit présente par exemple une section en forme de demi-disque et les deux conduits sont plaqués l'un sur l'autre suivant leur diamètre. La céramique présente une meilleure résistance thermique et un coefficient de dilatation plus faible que ceux des matériaux métalliques généralement utilisés. Cependant, lors du passage des gaz d'échappement à haute température, la zone de contact des parois en regard présente encore une surchauffe qui affaiblit voire endommage les conduits. Un but de la présente invention est d'éviter la surchauffe des conduits dans la zone de contact [ors du passage des gaz d'échappement à haute température. Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un organe d'échappement comportant deux conduits adjacents, chacun délimité par une paroi interne et une paroi externe, les deux parois étant en composite à matrice polymère inorganique et les parois internes des deux conduits étant en regard, caractérisé en ce qu'au moins l'une des parois internes d'un conduit présente au moins une saillie d'écartement en appui contre la paroi interne en regard de l'autre conduit, les deux parois internes étant séparées par un espace libre. Le contact entre les deux conduits se produit au niveau de la ou des saillies d'écartement de l'organe d'échappement et non plus entre les deux parois internes du conduit. De ce fait, la surface de contact est réduite à la surface de la saillie d'écartement en regard de la paroi interne de l'autre conduit. Lors du passage des gaz d'échappement à haute température, les contraintes thermiques et mécaniques dans cette zone sont ainsi minimisées. Par ailleurs, l'air étant un mauvais conducteur thermique, l'espace libre ménagé permet d'assurer une isolation thermique pour les parois internes des conduits hors saillie(s) d'écartement. Suivant des modes de réalisation particuliers, le système de séparation comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : - l'épaisseur maximale de l'espace libre est comprise entre 2 mm et 10 mm ; - les parois internes en regard ont une étendue supérieure ou égale au quart du périmètre des conduits ; - la ou chaque saillie d'écartement comprend un matériau en composite à matrice polymère inorganique ; - le matériau est constitué d'une matrice comportant au moins un polymère inorganique type géopolymère à base d'aluminosilicate ; - la matrice est renforcée par des fibres céramiques à base de carbure de silicium (SiC), de carbone ou de silice (SiO2) ; - il comporte deux saillies d'écartement en vis-à-vis en contact l'une avec l'autre par leur sommet ; - les deux saillies d'écartement présentent des profils complémentaires en saillie et en creux ; - une saillie d'écartement sur le conduit est de forme tubulaire, torique, hémisphérique, de base carrée, triangulaire ou rectangulaire ; -l'organe d'échappement comporte au moins deux saillies d'écartement séparées d'une distance comprise entre 2 cm et 10 cm, sur la longueur du ou des conduits ; - la paroi interne de l'un des conduits comporte une couche interne et une couche externe et la ou chaque saillie d'écartement comprend un insert placé entre la couche interne et la couche externe de la paroi interne ; - l'insert comporte au moins deux couches superposées en céramique ; - l'insert est un monobloc de céramique. Selon un deuxième aspect, l'invention a pour objet un collecteur d'échappement comportant une enveloppe externe et l'organe d'échappement selon l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en élévation avec arrachement partiel d'un collecteur d'échappement selon l'invention ; - la figure 2 est un agrandissement de la zone Il de l'organe d'échappement de la figure 1; - la figure 3 est une coupe partielle suivant le plan IIIIII de l'organe d'échappement de la figure 1; - la figure 4 est une vue en élévation de différentes formes de saillies d'écartement sur un conduit d'un organe d'échappement selon l'invention ; - la figure 5 est un agrandissement de la zone V de l'organe d'échappement de la figure 1 ; la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un organe d'échappement selon l'invention comportant deux saillies d'écartement de profils complémentaires en saillie et en creux; - la figure 7 est une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'un organe d'échappement selon l'invention comportant deux saillies d'écartement de profils complémentaires en saillie et en creux; - la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un type de saillies d'écartement d'un organe d'échappement selon l'invention ; - la figure 9 est une vue en coupe transversale d'un autre type de saillies d'écartement d'un organe d'échappement selon l'invention ; - la figure 10 est une vue en élévation d'un organe d'échappement selon l'invention comportant plusieurs saillies d'écartement. La figure 1 illustre un collecteur d'échappement 1 conforme à l'invention comportant une enveloppe externe 2 qui est étanche. L'enveloppe externe 2 comporte une coque externe 3 enveloppant quatre tubes 4 et une bride de liaison 5 liant le collecteur d'échappement 1 conforme à l'invention avec une culasse 6 d'un moteur non représenté. La coque externe 3 est de préférence constituée de deux demi-coques métalliques assemblées l'une par l'autre par une soudure médiane. La bride de liaison 5 est formée d'une plaque massive présentant quatre orifices d'entrée 7 destinés à être disposés en regard des sorties d'évacuation 11 du moteur. Un joint de maintien 8 formé d'un anneau en treillis métallique permet de maintenir les tubes 4 en position radiale dans un conduit collecteur 9. Un joint d'étanchéité 10, de préférence torique, assure l'étanchéité de la jonction entre les orifices d'entrée 7 des tubes 4 et les sorties d'évacuation 11 du moteur. Chaque tube 4 disposé dans l'enveloppe externe 2 comporte un organe d'échappement 12 conforme à l'invention. En effet, chaque tube 4 comporte ainsi un premier conduit 13 et un second conduit 14. Ces conduits 13 et 14 présentent une section en quart de cercle ou en demi-cercle suivant la direction perpendiculaire à leur axe. Plus précisément, le premier conduit 13 et le second conduit 14 se composent d'une paroi interne 15a (16a) sensiblement plane et d'une paroi externe 15b (16b) incurvée en demi-cercle. La paroi interne 15a (16a) et externe 15b (16b) sont jointes à leurs extrémités. Les deux parois internes 15a et 16a sont en regard et sensiblement parallèles. Les parois internes en regard 15a et 16a ont une étendue supérieure ou égale au quart du périmètre du premier conduit 13 ou du second conduit 14. Au moins l'une des parois internes 15a et/ou 16a du premier conduit 13 ou du second conduit 14 présente au moins une saillie d'écartement 17 en appui contre la paroi interne en regard de l'autre conduit, les deux parois internes 15a et 16a étant séparées par un espace libre 18. L'espace libre 18 est par exemple constitué d'air ou de tout gaz isolant. L'épaisseur e de l'espace libre 18 permet d'atteindre une isolation thermique efficace pour un encombrement réduit. L'épaisseur e est supérieure à 1 mm, comprise entre 2 mm et 10 mm, de préférence entre 3 mm et 8 mm, mieux entre 4 mm et 6 mm. Selon les figures 2 et 3, l'organe d'échappement 12 selon l'invention comporte deux saillies d'écartement 27 sur la paroi interne 15a (16a) du premier conduit 13 (du second conduit 14). Une saillie d'écartement 27 est en appui sur la paroi interne 16a (15a) en regard du premier conduit 13 (du second conduit 14) par son sommet généralement plat. Chaque saillie d'écartement 27 est formée suivant l'axe médian de la paroi interne 15a ou 16a définissant ainsi une surface de contact 29 sur son sommet. Chaque saillie d'écartement 27 est venue de matière avec le premier conduit 13 ou 14. Les parois internes 15a et 16a et chaque saillie d'écartement 27 comprennent un matériau en composite à matrice polymère inorganique. Des exemples d'un tel matériau sont donnés dans les demandes de brevet US 6 134 881 et US 6 161 379. Le matériau est constitué d'une matrice comportant au moins un polymère inorganique, préférentiellement de type géopolymère à base d'aluminosilicate. La matrice est, de plus, renforcée par des fibres, de préférence céramique à base, par exemple, de carbure de silicium (SiC), de carbone ou de silice (SiO2). Selon un mode de réalisation représenté à la figure 4, une saillie d'écartement sur le premier conduit 13 est de forme tubulaire 37a, torique 37b, hémisphérique 37c ou encore de base polygonale, par exemple de base carrée 37d, triangulaire 37e ou rectangulaire 37f. La forme de la saillie d'écartement est adaptée à la géométrie du premier conduit 13 et du second conduit 14 en minimisant la zone de contact entre les deux parois internes 15a et 16a. La hauteur maximale h d'une saillie d'écartement 27 ; 37a ; 37b ; 37c ; 37d ; 37e; 37f est au moins 10 fois supérieure à la hauteur d'éventuels défauts de planéité des parois internes 15a et 16a. La hauteur maximale h correspond à l'épaisseur e de l'espace libre 18. La hauteur h est de préférence supérieure à 2 mm. La largeur I d'une saillie d'écartement 27 ; 37a ; 37b ; 37c ; 37d ; 37e; 37f est de façon générale inférieure à 2 fois le diamètre d du tube 4. A titre d'exemple, la largeur I d'une saillie d'écartement est comprise généralement entre 2 mm et 20 mm, voire entre 5mmet10mm. Selon la figure 5, l'organe d'échappement 12 selon l'invention comporte deux saillies d'écartement 47a et 47b en vis-à-vis en contact l'une avec l'autre par leur sommet définissant ainsi une surface de contact 49. La saillie d'écartement 47a est sur la paroi interne 15a du premier conduit 13 et la saillie d'écartement 47b sur la paroi interne 16a du second conduit 14. Ainsi, chaque saillie d'écartement 47a, 47b a une hauteur maximale ha et respectivement hb sensiblement égale à la moitié de l'épaisseur e de l'espace libre 18. Les hauteurs maximales ha et respectivement hb sont supérieures ou égales à 1 mm. Dans le cas de la figure 5, toutes les contraintes thermiques sont limitées à la surface de contact 49 des deux saillies d'écartement 47a et 47b et non à une zone de contact plus étendue de la paroi interne 15a ou 16a du premier conduit 13 ou du second conduit 14. Selon la figure 6, les saillies d'écartement en vis-à-vis 57a et 57b présentent des profils complémentaires en saillie et en creux et s'emboîtent l'une sur l'autre définissant ainsi une surface de contact 59. Ainsi, la saillie d'écartement 57b délimite une collerette périphérique ceinturant la saillie d'écartement 57a. La forme des saillies 57a et 57b permet d'éviter, au niveau de la surface de contact 59, tout glissement sous l'effet de vibrations ou au moment de l'assemblage des pièces du collecteur d'échappement 1. Le premier conduit 13 et le second conduit 14 restent de ce fait positionnés et écartés l'un de l'autre. La figure 7 illustre un autre mode de réalisation de saillies d'écartement de profils complémentaires en saillie et en creux 67a et 67b présentant une cavité axiale délimitant un espace libre interne 68 au centre des saillies d'écartement 67a et 67b ce qui permet d'augmenter l'isolation thermique entre le premier conduit 13 et le second conduit 14. La surface de contact 69 est alors davantage réduite ce qui permet de limiter les contraintes à cette surface de contact 69. L'espace libre interne 68 est selon une autre variante non centré par rapport aux saillies d'écartement 67a et 67b et, selon encore une autre variante, les saillies d'écartement 67a et 67b ménagent plusieurs espaces libres internes, centrés ou non. Ce mode de réalisation et ses variantes permettent d'augmenter le volume d'air dans l'espace libre 18 tout en gardant la même épaisseur e. Sur la figure 8, les parois internes 15a et 16a du premier conduit 13 et du second conduit 14 comportent une couche interne 70 (72) et une couche externe 71 (73) qui sont en contact. La couche interne 70 (72) et la couche externe 71 (73) sont composées de matériaux composites à matrice polymère inorganique, tels que précédemment décrits. Deux saillies d'écartement 77a, 77b en vis-à-vis comprennent un insert 78a ou 78b placé entre la couche interne 70 (72), et la couche externe 71 (73) de la paroi interne 15a (16a) du premier conduit 13 (du second conduit 14). La couche externe 71 (73) épouse la forme de l'insert 78a ou 78b en s'éloignant de la couche interne 70 (72) en définissant une cavité dans laquelle est l'insert 78a ou 78b. Les couches externes 71 et 73 sont alors en contact au niveau d'une surface de contact 79. Les saillies d'écartement 77a et respectivement 77b correspondent alors à l'association des inserts 78a et respectivement 78b et de la couche externe 71 ou 73. De préférence, les saillies d'écartement 77a et 77b présentent des profils complémentaires en saillie et en creux. L'insert 78a ou 78b comporte au moins deux couches superposées en céramique, de préférence entre 4 et 10 couches. De préférence, les couches sont annulaires. La superposition de ces couches est réalisée par ajout local de matériaux composites à matrice polymère inorganique, préférentiellement de type géopolymère à base d'aluminosilicate, tels que précédemment décrits. Selon un mode de réalisation, les couches comportent des matériaux composites compatibles, différents etlou de porosité différente. Chaque couche comporte des propriétés physiques différentes, notamment un coefficient de dilatation thermique ainsi qu'une résistance thermique différentes, ce qui permet à la saillie d'écartement 77a, 77b de présenter une meilleure résistance aux contraintes thermiques et mécaniques. Le mode de réalisation représenté à la figure 9 est un variante du mode de réalisation représenté à la figure 8 dans laquelle l'insert 88a ou 88b se situant entre la couche interne 70 (72) et la couche externe 71 (73) est un monobloc de céramique constitué de résine de composite inorganique, telle qu'un géopolymère à base d'un aluminosilicate, ou d'un matériau alternatif, compatible avec les deux couches 70 et 71 (72 et 73) de la paroi interne 15a (16a) du premier conduit 13 (du second conduit 14). Le matériau alternatif est constitué, par exemple, d'une nappe de fibre céramique isolante, notamment à base de carbure de silicium (SiC), de carbone ou encore de silice (SiO2). Les couches externes 71 et 73 sont en contact au niveau d'une surface de contact 89. Les saillies d'écartement 87a et respectivement 87b correspondent à l'association des inserts 88a et respectivement 88b et de la couche externe 71 ou 73. De préférence, les saillies d'écartement 87a et 87b présentent des profils complémentaires en saillie et en creux. Selon un mode de réalisation représenté à la figure 10, l'organe d'échappement 12 conforme à l'invention comporte au moins deux saillies d'écartement 97 séparant les premiers conduits 13 et seconds conduits 14. Sur la longueur du premier conduit 13 et/ou du second conduit 14, les saillies d'écartement 97 sont séparées d'une distance comprise entre 2 cm et 20 cm, de préférence entre 2 cm et 10 cm, voire égale à environ 5 cm. Selon une variante, les saillies d'écartement 97 sont disposés en quinconce sur au moins deux rangées. Selon une autre variante, les saillies d'écartement 97 sont alignées sur une rangée, de préférence centrée sur la largeur de la parois internes 15a ou 16a du premier conduit 13 ou du second conduit 14. Les saillies d'écartement 97 sont séparées les unes par rapport aux autres d'une distance comprise entre 5 fois et 10 fois la largeur des saillies d'écartement 97. Lors du fonctionnement du moteur, les gaz d'échappement à haute température, entre 900 C et 1000 C, sortent de la culasse 6 et arrivent au niveau des orifices d'entrée 7 puis pénètrent dans les tubes 4 comportant le premier conduit 13 et le seconds conduit 14. Le contact entre le premier conduit 13 et second conduit 14 se produit au niveau de la ou des saillies d'écartement 17 ; 27 ; 37a, 37b, 37c, 37d, 37e, 37f, 47a, 47b ; 57a, 57b ; 67a, 67b ; 77a, 77b ; 87a, 87b ; 97 et non plus entre les deux parois internes 15a et 16a en vis-à-vis du premier conduit 13 et du second conduit 14. De ce fait, la zone de contact est réduite à la surface de contact 29 ; 49 ; 59 ; 69 ; 79 ; 89 de la saillie d'écartement 27 ; 47a, 47b ; 57a, 57b ; 67a, 67b ; 77a, 77b ; 87a, 87b en regard de la paroi interne 16a (15a) de l'autre second conduit 14 (du premier conduit 13). De plus, la présence de l'espace libre 18 de préférence comprise entre 2 mm et 10 mm permet d'assurer à la fois une isolation thermique entre les deux parois internes 15a et 16a du premier conduit 13 et du second conduit 14 et de respecter les contraintes liées à la taille du collecteur d'échappement 1 selon l'invention. L'introduction d'un matériau en céramique au niveau des saillies d'écartement 17 ; 27 ; 37a, 37b, 37c, 37d, 37e, 37f, 47a, 47b ; 57a, 57b ; 67a, 67b ; 77a, 7713 ; 87a, 87b ; 97 et des parois internes 15a et 16a permet de réduire encore davantage les contraintes thermiques que subit la surface de contact 29 ; 49 ; 59 ; 69 ; 79 ; 89 lors du passage des gaz d'échappement. En effet, le coefficient de dilatation des matériaux en céramique choisis est faible, notamment inférieur ou égal à environ 5 pm. C-1.m-1. Les contraintes thermiques et mécaniques sont ainsi réduites. Dans le cas où deux saillis d'écartement 47a, 47b ; 57a, 57b ; 67a, 67b ; 77a, 77b ; 87a, 87b sont en contact sont en vis-à-vis et en contact par leur sommet, la zone de contact est réduite à la surface de contact 49 ; 59 ; 69 ; 79 ; 89.15 REVENDICATIONS 1. Organe d'échappement (12) comportant deux conduits adjacents (13, 14), chacun délimité par une paroi interne (15a,16a) et externe (15b, 16b), les deux parois (15a, 15b, 16a, 16b) étant en composite à matrice polymère inorganique et les parois internes (15a ; 16a) des deux conduits (13, 14) étant en regard, caractérisé en ce qu'au moins l'une des parois internes (15a, 16a) d'un conduit présente au moins une saillie d'écartement (17 ; 27 ; 37a, 37b, 37c, 37d, 37e, 37f ; 47a, 47b ; 57a, 57b ; 67a, 67b ; 77a, 7713 ; 87a, 87b ; 97) en appui contre la paroi interne en regard de l'autre conduit, les deux parois internes (15a, 16a) étant séparées par un espace libre (18). 2.- Organe d'échappement (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) maximale de l'espace libre (18) est comprise entre 2 mm et 10 mm. 3.- Organe d'échappement (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois internes en regard (15a, 16a) ont une étendue supérieure ou égale au quart du périmètre des conduits (13, 14). 4.- Organe d'échappement (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou chaque saillie d'écartement (17 ; 27 ; 37a, 37b, 37c, 37d, 37e, 37f ; 47a, 47b ; 57a, 57b ; 67a, 67b ; 77a, 7713 ; 87a, 87b ; 97) comprend un matériau en composite à matrice polymère inorganique. 5.- Organe d'échappement (12) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau est constitué d'une matrice comportant au moins un polymère inorganique type géopolymère à base d'aluminosilicate. 6.- Organe d'échappement (12) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la matrice est renforcée par des fibres céramiques à base de carbure de silicium (SiC), de carbone ou de silice (SiO2). 7.- Organe d'échappement (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux saillies d'écartement (47a, 47b ; 57a, 57b ; 67a, 67b ; 77a, 77b ; 87a, 87b) en vis-à-vis en contact l'une avec l'autre par leur sommet. 8.- Organe d'échappement (12) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux saillies d'écartement (57a, 57b ; 67a, 67b ; 77a, 77b ; 87a, 87b) présentent des profils complémentaires en saillie et en creux. 9.- Organe d'échappement (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une saillie d'écartement sur le conduit (13) est deforme tubulaire (37a), torique (37b), hémisphérique (37c), de base carrée (37d), triangulaire (37e) ou rectangulaire (37f). 10.- Organe d'échappement (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux saillies d'écartement (97) séparées d'une distance comprise entre 2 cm et 10 cm, sur la longueur du ou des conduits (13, 14). 11.- Organe d'échappement (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi interne (15a, 16a) de l'un des conduits comporte une couche interne (70, 72) et une couche externe (71, 73) et en ce que la ou chaque saillie d'écartement (77a, 77b ; 87a, 87b) comprend un insert (78a, 78b ; 88a, 88b) placé entre la couche interne (70, 72) et la couche externe (71, 73) de la paroi interne (15a, 16a). 12.- Organe d'échappement (12) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'insert (78a, 78b) comporte au moins deux couches superposées en 15 céramique. 13.- Organe d'échappement (12) selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'insert (88a, 88b) est un monobloc de céramique. 14.- Collecteur d'échappement (1) comportant une enveloppe externe (2) et l'organe d'échappement (12) selon l'une quelconques des revendications précédentes. 20