L’application collecteur d’échappement

 L’application collecteur d’échappement

Dans une ligne d’échappement, le collecteur est la pièce la plus proche du moteur et ainsi la plus chaude. Son rôle est de collecter les gaz chauds sortant des cylindres et de les conduire au catalyseur en limitant au mieux les pertes thermiques. Cette pièce doit répondre à un cahier des charges spécifique comprenant, entre autres, des critères de résistance thermomécanique, de poids ou de facilité de mise en œuvre ainsi que des critères environnementaux et économiques. Aujourd’hui, les aciers inoxydables viennent concurrencer la fonte traditionnellement utilisée pour la fabrication des collecteurs d’échappement.

Fonctions

Le moteur à essence est un moteur à combustion interne, à allumage commandé, qui transforme l’énergie générée par le carburant en énergie cinétique. Ce fut à l’occasion de l’Exposition Universelle de Paris que l’ingénieur allemand Nikolaus August OTTO présenta en 1878 le premier moteur à gaz à compression fonctionnant suivant le principe du cycle à 4 temps. A chaque cycle, suite à l’admission (1er temps), la compression et l’allumage (2ème temps), l’explosion et la détente (3ème temps), les gaz sont expulsés du cylindre durant un 4ème temps, l’échappement. La première fonction d’un collecteur d’échappement est de collecter les gaz d’échappement refoulés lors de la montée du piston pour les conduire jusqu’au catalyseur. Les principaux composants des gaz d’échappement – l’azote N2 (environ 70%), le dioxyde de carbone CO2 et la vapeur d’eau H2O – ne sont pas toxiques quoique les émissions de CO2 contribuent à l’effet de serre. Les composants secondaires – le monoxyde de carbone CO, les oxydes d’azote NOx et de soufre SOx , de nombreux hydrocarbures imbrûlés HC et des particules – sont beaucoup plus nocifs. Bien que les composants secondaires ne représentent qu’une très faible quantité des rejets, leurs seuils de tolérance sont systématiquement revus à la baisse par les législateurs.

Les systèmes d’allumage et d’injection disponibles aujourd’hui permettent d’atteindre des valeurs d’émissions de polluants très faibles et une réduction supplémentaire passe par l’utilisation d’un catalyseur* . Environ 80% des polluants sont émis les deux premières minutes [2]. La température joue un rôle très important au niveau du catalyseur car la conversion des polluants commence véritablement à une température supérieure à 300°C environ. La seconde fonction du collecteur est alors de limiter les pertes thermiques des gaz d’échappement avant qu’ils arrivent au pot catalytique, principalement lors d’un démarrage à froid du moteur (light-off), afin d’assurer une bonne température de catalyse.

Sollicitations en fonctionnement

Les gaz d’échappement entrant dans le système collecteur ont une température s’élevant à 900°C dans le cas de motorisation essence voire même 1000°C pour les motorisations les plus puissantes. De nature complexe, ces gaz contiennent des éléments agressifs pour le métal (CO, O2 , H2Ovapeur, S, etc). De plus, la condensation des gaz peut conduire à la présence de solutions acides en surface intérieure du collecteur alors que durant l’utilisation du véhicule, la surface externe est exposée à l’état des routes : pluie, boue ou encore sels de déneigement (chlorures). La résistance à diverses sortes de corrosion est ainsi particulièrement importante pour ces pièces. Les lignes d’échappement sont également soumises à des sollicitations mécaniques et thermiques. En plus du fluage lié au propre poids du collecteur, la sollicitation mécanique est engendrée par les vibrations du moteur et le roulement du véhicule. Il s’agit d’un chargement de fatigue aux amplitudes et fréquences variables. La sollicitation thermique, liée au bridage des pièces chaudes, est constituée de transitoires correspondants aux démarrages, accélérations décélérations et arrêts du moteur du véhicule ainsi qu’à des maintiens ou à des faibles variations de température en fonction du régime moteur. Cette sollicitation produit un endommagement de fatigue thermique couplé aux effets des hautes températures comme l’oxydation et la viscoplasticité (fluage notamment). Le perfectionnement des performances des véhicules automobiles s’effectue, en partie, par une amélioration du rendement moteur (injection, culasse multisoupapes, turbo). Ainsi, la température des gaz d’échappement est toujours revue à la hausse entraînant une température de fonctionnement du collecteur continûment croissante. Les sollicitations thermomécaniques du collecteur sont ainsi accrues de même que la sensibilisation à la corrosion.

Cahier des charges

Les collecteurs d’échappement sont des pièces techniques aux exigences spécifiques que les constructeurs d’automobiles garantissent à des durées d’utilisation élevées. Les matériaux employés pour leur fabrication doivent répondre à des cahiers des charges extrêmement complexes et variés. Le cahier des charges d’un collecteur d’échappement comprend notamment des contraintes de résistance et de durabilité du matériau (résistance mécanique, stabilité microstructurale, tenue à l’oxydation), des contraintes technologiques (poids, mise en œuvre, encombrement), des contraintes environnementales (réduction de l’émission de polluants, du bruit) et des contraintes économiques (coût !). Le développement d’un collecteur est donc fonction du type de motorisation et de l’environnement de celui-ci. Bien souvent, il s’agit d’une solution particularisée à chaque véhicule.

La solution acier inoxydable

La fonte est le matériau traditionnel pour la fabrication des collecteurs d’échappement. Chez Renault [3], la fonte grise à graphite sphéroïdale SiMo (au silicium et au molybdène) est préférentiellement utilisée mais, en raison d’importantes évolutions microstructurales apparaissant à haute température (oxydation, graphitisation, décarburation et transformation allotropique), elle ne présente plus une résistance thermomécanique suffisante. De plus, la desquamation des oxydes du collecteur peut endommager le pot catalytique ou le boucher. Au vu des cahiers des charges actuels, l’acier inoxydable est devenu une solution incontournable pour l’application collecteur d’échappement [2, 4, 5]. En effet, les aciers inoxydables présentent de meilleures propriétés que la fonte pour cette application (tab 1.1). Ces matériaux dominent déjà le marché des véhicules à forte motorisation et pénètrent rapidement les autres segments.

A résistance mécanique équivalente, la masse d’un collecteur en acier inoxydable est plus faible que celle d’un collecteur en fonte. Cela se traduit tout d’abord par une consommation moindre, donc moins de rejets de polluants, mais également par une inertie thermique plus faible qui évite le refroidissement des gaz et donc un délai de fonctionnement (light-off) du catalyseur réduit. Les aciers inoxydables présentent une grande stabilité microstructurale sur un large intervalle de température. D’autre part, leur résistance à la corrosion est bien supérieure à celle de la fonte. Ces propriétés font des aciers inoxydables des matériaux plus durables que la fonte.

Les aciers inoxydables sont déjà utilisés pour la fabrication de catalyseurs (depuis la fin des années 1970 chez General Motors [8]) ou la réalisation de collecteurs d’échappement tuning surtout pour ses qualités esthétiques. De nombreux constructeurs d’automobiles s’intéressent à cette solution et tendent à l’intégrer à tous leurs véhicules. Les pots d’échappement en acier inoxydable représentent maintenant des marchés supérieurs à 100 000 tonnes en Europe [9]. Malgré des coûts de matière première et de mise en œuvre plus élevés que la solution fonte, les aciers inoxydables sont des matériaux de premier choix pour l’application collecteur d’échappement.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE 1 : Contexte industriel
1. La société Ugine & ALZ
2. L’application collecteur d’échappement
2.1. Fonctions
2.2. Sollicitations en fonctionnement
2.3. Cahier des charges
2.4. La solution acier inoxydable
3. L’essai de fatigue thermique d’Ugine & ALZ
3.1. Les tests de validation des échappementiers
3.2. L’essai de fatigue thermique
4. Conclusions
Références de la Partie 1
PARTIE 2 : Bibliographie – Les aciers inoxydables austénitiques et ferritiques
1. Généralités sur les aciers inoxydables
1.1. L’inoxydabilité des aciers
1.2. Les principaux éléments
1.3. Désignations
1.4. Fabrication des aciers inoxydables
2. Les aciers inoxydables austénitiques
2.1. Composition et structure
2.2. Nuances dérivées
2.3. Déstabilisation de l’austénite
3. Les aciers inoxydables ferritiques
3.1. Composition et structure
3.2. Nuances dérivées
3.3. Propriétés
4. Les aciers inoxydables stabilisés
4.1. La stabilisation
4.2. Titane, niobium et carbonitrures
4.3. Mécanismes de précipitation
4.4. Effet des stabilisants sur les propriétés
5. Oxydation (corrosion à haute température)
5.1. Mécanismes de base
5.2. Oxydation des aciers inoxydables
6. Conclusions
Références de la Partie 2
PARTIE 3 : Les matériaux F17TNb et R20-12
1. Compositions chimiques et microstructures
1.1. Le matériau F17TNb
1.2. Le matériau R20-12
2. Propriétés
2.1. Propriétés physiques
2.2. Propriétés mécaniques et résistance à l’oxydation
3. Expertises de collecteurs rompus sur banc moteur
4. Conclusions
Références de la Partie 3
PARTIE 4 : Observation d’éprouvettes de fatigue thermique
1. Essais de fatigue thermique conduits jusqu’à rupture
1.1. Durées de vie
1.2. Faciès de rupture
1.3. Nature de la sollicitation thermomécanique
2. Essais interrompus de fatigue thermique
2.1. Protocole expérimental
2.1. Endommagement en fatigue thermique du matériau F17TNb
2.2. Endommagement en fatigue thermique du matériau R20-12
2.3. Influence de la température maximale sur l’endommagement en fatigue thermique
3. Mécanismes d’endommagement en fatigue thermique
3.1. Premier endommagement
3.2. Cas de la nuance ferritique F17TNb
3.3. Cas de la nuance austénitique R20-12
4. Conclusions
PARTIE 5 : Essais mécaniques et simulation numérique
1. Essais mécaniques
1.1. Méthodologie
1.2. Comportement en régime isotherme
1.3. Comportement en régime non isotherme
2. Modélisation du comportement
2.1. Lois de comportement et identification
2.2. Identification – essais isothermes
2.3. Validation des lois de comportement – essais non isothermes
3. Calculs de structure pour la nuance F17TNb
3.1. Modélisation de l’essai de fatigue thermique
3.2. Modélisation d’un collecteur d’échappement
4. Discussion de la définition d’un critère de ruine
4.1. Durées de vie et instabilités géométriques
4.2. Critère de ruine
5. Conclusions
Références de la Partie 5
CONCLUSION GENERALE

Télécharger le rapport complet