PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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RENAULT DE/DEMAT/0854 PR 1/09/89

JOURNEES EUROPÉENNES DES COMPOSITES

PARIS 4, 5 et 6 avril 1990

APPLICATIONS DES COMPOSITES DANS LES CIRCUITS D'ÉCHAPPEMENT

Par Pierre ROUBINET (RENAULT)

1- INTRODUCTION

Les circuits d'échappement des automobiles sont soumis à des agressions très sévères: haute température, corrosion interne (condensats), corrosion externe (projections), vibrations, chocs sur les chaussées déformées, etc
Réalisés jusqu'à une époque récente en acier ordinaire, les éléments constituant un circuit d'échappement avaient une durée de vie inférieure à celle du véhicule ainsi équipé.

Depuis quelques années les constructeurs automobiles, dont RENAULT, ont fait des efforts pour accroître la qualité et la longévité des véhicules en général (protection accrue, garantie anticorrosion, etc.) et des circuits d'échappement en particulier.
Des aciers doux revêtus (zinc, aluminium, chrome, nickel,...) et des aciers inoxydables sont maintenant utilisés, mais cela entraîne une majoration de prix.

Avec ces nouvelles données, il nous a semblé que les matériaux composites avaient des chances d'être compétitifs. C'est ainsi qu'une étude exploratoire a été engagée.

2- LA FONCTION ÉCHAPPEMENT

Le circuit d'échappement doit canaliser les gaz brûlés sortant d'un moteur à combustion interne vers l'air libre tout en réduisant les bruits dus à leur évacuation saccadée (bruit de bouche)
La fréquence fondamentale du bruit est fonction du nombre de cylindres, de la vitesse de rotation, et du cycle de base (2 ou 4 temps), du moteur. Comme il ne s'agit pas d'un son pur, de nombreuses harmoniques sont superposées

Dans la plupart des systèmes d'échappement, la réduction du bruit est obtenue en intercalant un ou plusieurs silencieux dans le circuit (figure 1)
La circulation des gaz entraîne parfois certains éléments à vibrer selon leur fréquence propre (bruits rayonnés)

Les déplacements relatifs du collecteur d'échappement (accélération ou frein moteur), et les irrégularités des routes, soumettent l'ensemble du circuit à des épreuves de fatigue, bien qu'il soit suspendu au châssis par des liaisons élastiques (réduction du bruit transmis)

Figure 1

3- LES SILENCIEUX

Les silencieux sont conçus pour atténuer les variations de pression des gaz dans la gamme de fréquences des bruits de l'échappement, sans introduire trop de pertes de charge.
En effet, une augmentation de la contre-pression des gaz à la sortie du moteur aurait pour conséquence une chute de puissance de celui-ci.

Il existe plusieurs types de silencieux dont les deux principaux sont :

Figure 2

Le silencieux principal s'appelle également "pot d'échappement". Quand d'autres silencieux sont placés en amont, ceux-ci sont nommés "pots de détente".

Figure 3

4- LA CORROSION

La corrosion des enveloppes de silencieux est surtout provoquée par les condensats des gaz d'échappement.
Ce sont les véhicules à moteur de grosse cylindrée effectuant des petits parcours successifs (certains métiers exercés en ville) qui sont les plus exposés. En effet le silencieux n'a pas le temps d'être chaud et les condensats s'y accumulent.
Ces condensats, dont la composition dépend du carburant et des conditions de combustion, sont acides (pH 2 à 3)
A la corrosion interne se superpose la corrosion externe et la corrosion électrochimique.

Tous les types de corrosion sont simulés en laboratoire pour comparer les matériaux entre eux.

En ce qui concerne la corrosion, les composites à matrice organique sont mieux placés que les aciers.

5- LES CONDITIONS THERMIQUES

Des relevés de température sur plusieurs silencieux en acier dans différentes conditions de fonctionnement ont montré que généralement la température des gaz est de 500°C à l'entrée et de 400°C à la sortie, tandis que l'enveloppe extérieure est à 300°C.

En régime continu la température de l'enveloppe prend une valeur telle que la quantité de chaleur perdue correspond à celle reçue. La chaleur se transmet par conduction, par convection, et par rayonnement.

Pour utiliser des matériaux composites à matrice organique nous avons considéré qu'il fallait revoir la conception du silencieux de telle façon que les échanges thermiques soient favorisés vers l'extérieur et retardés venant de l'intérieur, afin que la température de l'enveloppe ne dépasse pas 200°C.

CHOIX DES COMPOSITES

Il existe des polymères résistant à des températures élevées tels que le polyétheréthercétone (PEEK) ou le polysulfure de phénylène (PPS), mais leur niveau de prix ne permet pas de les mettre en compétition avec l'acier inoxydable
Des travaux antérieurs avaient montré le bon comportement thermique de certains préimprégnés verre-polyester:

Figure 4

Les résultats avaient alors été jugés encourageants. C'est pourquoi, dans la nouvelle action de recherche engagée en 1985, nous avons établi, le programme limité suivant:

7- ESSAIS PRÉLIMINAIRES

7.1 ESSAIS SUR ÉPROUVETTES

Des éprouvettes ont été découpées dans des plaques de stratifiés comportant de 30 à 35% de fibres de verre et différentes résines:

SMC

Type de résine

A
B
C
D
E

Phénolique
Polyester maléique (PM PG + styrène)
Polyester avec vinylbenzène au lieu de styrène
Polyester à retrait compensé (LP)
Polyester isophtalique

Les essais effectués ont été les suivants:

Figure 5

 

Figure 6

 

Figure 7

Compte tenu de son bon rapport performances/prix nous avons choisi la résine polyester isophtalique (E) pour formuler un SMC "chaleur".

7.2 ESSAIS SUR PLAQUES

Des essais ont été effectués sur un banc moteur avec un dispositif permettant de mettre une plaque du composite à tester en contact avec des gaz d'échappement à 500°C, en l'isolant du tube en acier de sortie par une rondelle en composite verre-mélamine intercalée (photo 8)

< Photo 8

Guy Dupuis et Jacques Ducelier ont suivi les essais thermiques.

Le dispositif d'essai a été réalisé avec un boisseau de cheminée et du ciment réfractaire.

Nous avons pu vérifier:

  1. que la nature isolante du SMC permettait que sa température ne dépasse pas 200°C (figure 9),
  2. qu'il ne subissait pas de dégradation notable après 8 heures de fonctionnement,
  3. que la rondelle en mélamine remplissait la fonction d'isolation demandée.

Figure 9

ÉTUDE DU SILENCIEUX

Compte tenu de l'isolation supplémentaire que pouvait apporter la laine de basalte qu'il contenait, nous avons choisi un silencieux à absorption pour démarrer notre étude.

Une bonne collaboration entre le Bureau d'Études et les spécialistes Composites et Prototypes à conduit au concept représenté sur la figure 10.

Les éléments constituant ce premier silencieux composite sont les suivants:

  1. un tube perforé en acier formant un serpentin en S, avec entrée et sortie axiales,
  2. deux cloisons ajourées en acier disposées verticalement et faisant corps avec le serpentin,
  3. deux rondelles en composite verre-mélamine,
  4. deux demi-coquilles en composite verre-polyester comportant des ailettes de refroidissement,
  5. une couche de laine de basalte remplissant le volume compris entre la partie centrale métallique (1+2) et l'enveloppe extérieure en composite (3+4)

Figure 10

9- MOULAGE DES DEMI-COQUILLES

Les deux demi-coquilles constituant une enveloppe ont été conçues volontairement identiques afin de n'avoir qu'un moule à réaliser.
Pour obtenir rapidement et économiquement quelques pièces prototypes nous avons choisi un procédé de moulage basse température et basse pression :

Photo 11

Un thermocouple arasant la surface du poinçon permet de détecter le pic exothermique accompagnant la réticulation du SMC.

Il a déjà été vérifié que les propriétés obtenues étaient les mêmes que pour un SMC moulé sous 75 bars à 150°C avec une cuisson de 18 secondes par millimètre d'épaisseur.

10- ESSAIS DE VALIDATION

Les silencieux ont été assemblés à l'aide de colle silicone et de rivets (photos 12 et 13) Des thermocouples ont été disposés à plusieurs points de contrôle choisis.

Photo 12

 

Figure 13


Le premier silencieux a été testé sur le banc d'essai corrosion du Laboratoire Central avec des cycles chaud-froid et introduction d'un mélange acide simulant les condensats.
Ce silencieux a ensuite été ouvert et examiné. Compte tenu du bon comportement constaté, il a été décidé de remplacer le pot d'échappement d'une Renault 5 par un de nos silencieux prototypes.

A 50 000 km un premier démontage a été effectué pour vérifier l'état interne des demi-coquilles. Un seul point chaud de quelques cm² a été décelé par le changement de teinte du SMC, lequel brunit au-dessus de 200°C.

Ce point chaud correspond à un jet de gaz sortant d'un trou placé dans le premier coude d'entrée du serpentin.

Ce silencieux a été refermé et l'essai s'est poursuivi sur une Renault 21 à moteur 2 litres jusqu'à 116 000 km.

Après démontage nous avons noté que l'endommagement de la surface interne s'était étendu, et qu'au point chaud repéré précédemment il atteignait 1 mm de profondeur sur les 3 mm d'épaisseur initiale (photos 14 et 15)

^ Figure 15

<<---Figure 14 Jean-François Blanchard a participé activement à la fabrication des silencieux et au suivi des essais

Une dégradation des rivets utilisés pour la fixation des rondelles en mélamine sur les collerettes en acier soudées sur les tubes d'entrée et de sortie, a également été constatée.

Des essais plus sévères ont par la suite été effectués sur les circuits d'échappement d'autres véhicules. Les résultats obtenus ont montré que le champ d'application des SMC "chaleur" pouvait être élargi.

Tous ces essais ayant été effectués par substitution d'éléments sur des échappements conçus en tôle d'acier, les avantages des composites n'ont donc pas été tous exploités, notamment en ce qui concerne:

11- L'ISOLATION THERMIQUE DES ÉCHAPPEMENTS

L'accroissement du rendement des moteurs et la réduction du volume qui leur est imparti (aérodynamisme, design,... ) conduisent à des températures sous capot de plus en plus élevées.

D'autre part, il est intéressant que les gaz d'échappement arrivent le plus chaud possible dans les pots catalytiques qui vont bientôt se généraliser.

L'isolation thermique des collecteurs et des descentes d'échappement est donc à l'ordre du jour.

Parmi tous les concepts essayés, il est bon d'en signaler un qui utilisait un composite à matrice inorganique.

L'essai a été effectué sur une descente double d'échappement d'une Renault 21.
Les tubes en acier ont été recouverts successivement d'une couche de tissu verranne non imprégnée, puis d'une épaisseur de 12 mm d'un composite formé d'un mélange de fibres de verre courtes et d'une matrice comparable à un ciment (fig. 16)

Figure 16

Il s'agit de sels semi-hydratés, de forme alpha, métastables, qui passent au stade dihydraté en présence d'eau avec dégagement de chaleur (exothermie)

Avec une telle protection isolante les températures suivantes ont été relevées:

A 26 000 km il a été noté que l'enrobage était fissuré mais qu'il tenait toujours sur les tubes en acier.

12- CONCLUSION

Les expériences effectuées depuis quelques années montrent que les composites peuvent être utilisés pour réaliser des éléments de véhicules automobiles exposés à des températures élevées (environnement moteur et échappement)

Les fibres et la matrice doivent être choisies en fonction de la température maximum à supporter.

Les concepts doivent être revus de façon à bénéficier de tous les avantages offerts par ces matériaux nouveaux.

Le développement des composites à haute tenue thermique dans l'automobile sera fonction de la capacité des équipementiers à prendre le relais.

 

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