Conduction thermique dans un échappement automobile

[Jmjx19]

Bonjour,

Je suis expert en automobile mais pas en thermodynamique... C'est la raison pour laquelle je me suis beaucoup tracassé pour comprendre le mécanisme qui avait mis le feu à un véhicule mais je butte encore sur quelques détails. Il faut dire que je n'ai pas trouvé de littérature sur le sujet. Voici l'exposé du problème :

Un tracteur agricole a pris feu. Son conducteur a clairement identifié le départ de feu au niveau du catalyseur de réduction des oxydes d'azote qui est situé sur la ligne d'échappement. A y regarder de près, on constate en effet que la grille de protection thermique ceinturant ce catalyseur, qui est ajourée, laisse entrer des débris végétaux.
Dès lors, il me restait à démontrer que les débris en question s'auto-enflammaient au contact de la paroi chaude du catalyseur. Seul problème, après installation de mes thermocouples sur un tracteur identique, accouplé à un dynamomètre pour créer une forte charge moteur et donc une t° élevée des gaz d'échappement, je n'ai relevé au maximum que 208°C sur la paroi externe du catalyseur alors qu'il aurait fallu que j'en trouve 280 à 300 pour expliquer une auto-inflammation de végétaux (brindilles, paille...). Dans le même temps, la température à l'intérieur du catalyseur était de 330°C.
A force de réflexion, j'ai fini par comprendre que le végétal en contact avec la paroi externe du catalyseur bloquait le caloportage de l'air à l'endroit de ce contact et que la chaleur ne pouvait alors s'y évacuer que par conduction dans le végétal en question, laquelle conduction dans le bois est très faible. Du coup, si l'évacuation thermique est bloquée, alors la température de la paroi externe de la paroi (208°C à l'air libre) tend à rejoindre sa température interne de 330°C. Et bingo j'ai ma t° d'auto-inflammation !...

Il me reste quand-même un doute : si je bloque le flux thermique par contact avec un isolant, est-ce que la température extérieure de ma paroi en tôle (environ 1,5 mm d'épaisseur) va vraiment s'élever au niveau de celle qui règne sur sa face interne ? Est-ce que je n'aurais pas plutôt cet effet en étant en contact, non avec un isolant thermique, mais au contraire avec une matière présentant une grande conductivité thermique ? (pour permettre justement aux 330°C de "traverser" la tôle et poursuivre leur chemin...).

Ou bien est-ce que finalement le phénomène d'homogénéité de la température dans toute l'épaisseur (faible) de la tôle est vrai dans les deux cas (contact avec solide à faible/forte conductivité thermique) ?...

Si d'aucuns pouvaient éclairer ma lanterne, je me coucherais moins bête et mon rapport n'en serait que meilleur...

Merci par avance...
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[XK150]

Bonjour ,

Ce qui m'étonne , c'est votre 208 °C mesuré sur la paroi externe du catalyseur , mesures difficiles à effectuer , dépendant énormément de la charge du moteur et de son bon état .
Vous avez fait les mesures tracteur " au travail " ?

En faisant une recherche à " fires with catalytic exhausts " , on peut lire des valeurs de 750 , 800 , 1000 , voir 1200 , 1400 ° F ( je vous laisse convertir ) sur des moteurs en conditions dégradées .
J'applique encore une règle qui disait de ne pas stationner sur des empilements de feuilles ou sur des herbes longues et sèches avec des véhicules catalysés ( certaines notices d'utilisation le précise encore ...) .
Et puisque vous êtes expert , idem pour certains véhicules à refroidissement à air ( d'accord , c'est devenu rare ...) qui n'ont pas besoin du catalyseur pour présenter des points chauds près du sol , je pense aux Porsche 911 anciennes , par exemple .

[Jmjx19]

Bonjour,

Il n'y a pas de doute sur ces points-là, et là je suis dans ma partie...

Le catalyseur en question est un catalyseur SCR (Selective Catalytic Réduction) dont la vocation est la réduction sélective des oxydes d'azote qui sont transformés en azote et en eau. La transformation est obtenue par injection d'urée (Nom commercial "AdBlue").
Le bon rendement de ce type de catalyseur (environ 85% de Nox transformés) se situe dans la plage de températures 220/350°C. C'est pourquoi son implantation est délicate : pas trop prés de la sortie du turbo (trop chaud), pas trop refroidi non plus...

Comme je le disais, j'ai accouplé un dynamomètre sur la prise de force du tracteur pour appliquer une forte charge au moteur et obtenir ainsi la plus forte température possible des gaz d'échappement. 94CV consommés sur 102 théoriques, avec les pertes diverses sur la chaîne cinématique, on peut considérer que j'étais au taquet.

Les auteurs signalent souvent des températures beaucoup plus élevées mais à propos des pots catalytiques traditionnels qui traitent le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés, ceux-là travaillent à des températures nettement plus hautes. Le phénomène est même majoré sur beaucoup de diesels contemporains où le catalyseur est accouplé à un filtre à particules dont le fonctionnement est particulièrement exothermique (450 à 800°C et plus...) pour transformer les Hc en suies. Ce sont ces catégories de catalyseurs qui, situés sous le véhicule, peuvent enflammer les herbes sèches sur lesquelles on s'arrêterait...
Le vieilles 911, j'ai l'âge de m'en souvenir, j'ai même travaillé dans deux concessions PORSCHE.
La particularité des voitures de l'époque, surtout celles à vocation sportive, était de ne pas compter l'essence et d'avoir du mal à la brûler tellement il en était aspiré. La combustion ne se faisait donc pas que dans les cylindres, elle se poursuivait dans la ligne d'échappement et même au dehors comme en témoignaient parfois des flammes en sortie d'échappement. Pour les 911 "air" de l'époque, les collecteurs sont directement accouplés au silencieux (pas trop silencieux quand-même, ce serait dommage), pas de longue canalisation pour refroidir tout ça, moteur arrière oblige...

Pour revenir à mon moteur sur ce tracteur-là, sa particularité est de n'avoir pour seul dispositif de dépollution des gaz qu'un catalyseur de traitement des Nox, lequel travaille donc à température relativement modeste et plus ou moins régulée par son système de refroidissement externe et dont le fonctionnement n'est pas exothermique.

Pour la mesure des températures, j'ai installé des thermocouples maintenus contre la surface par de minces fils de cuivre et j'ai enregistré les températures durant une heure. La courbe restituée, concernant le point de mesure le plus chaud, oscille autour des 200°C et marque un pic maxi à 208°C.

Voilà, on a bien parlé "voitures", reste maintenant à me parler de thermodynamique pour mon cas particulier où l'enveloppe externe de l'échappement n'atteint pas directement la température d'auto-inflammation des végétaux comme c'est habituellement le cas, avec les catalyseurs traditionnels, dans les incendies de ce type.
Si donc quelque physicien éclairé se sentait inspiré et voulait bien reprendre l'énoncé du problème dans mon premier post...

Merci.

[trebor]

Bonjour à tous,

Vu que des herbes sèches ne seraient pas la cause du départ du feu, ce tracteur n'avait-il pas une perte de gasoil ou d'huile qui aurait coulé sur l'échappement ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Jmjx19]

Trebor, tu n'as pas bien lu.

Je cherche pourquoi les végétaux qui s'introduisent derrière la grille du catalyseur s'auto-enflamment alors la température à l'air libre n'y est que de 208°C. Question de thermodynamique que je pense avoir à peu près élucidée mais pour laquelle j'ai encore quelques doutes que j'ai exposés dans mon post original.

Il n'y a pas d'écoulement de fluides inflammables s'écoulant sur l'échappement dont la position verticale et excentrée le protège de cette éventualité. Et quand bien-même, auto-infmmation du gazole à 260°C et de l'huile > 300°C.

[sitalgo]

B'jour,

A force de réflexion, j'ai fini par comprendre que le végétal en contact avec la paroi externe du catalyseur bloquait le caloportage de l'air à l'endroit de ce contact et que la chaleur ne pouvait alors s'y évacuer que par conduction dans le végétal en question, laquelle conduction dans le bois est très faible. Du coup, si l'évacuation thermique est bloquée, alors la température de la paroi externe de la paroi (208°C à l'air libre) tend à rejoindre sa température interne de 330°C. Et bingo j'ai ma t° d'auto-inflammation !...

Bon raisonnement.

Il me reste quand-même un doute : si je bloque le flux thermique par contact avec un isolant, est-ce que la température extérieure de ma paroi en tôle (environ 1,5 mm d'épaisseur) va vraiment s'élever au niveau de celle qui règne sur sa face interne ?

Oui ou pas loin.

Est-ce que je n'aurais pas plutôt cet effet en étant en contact, non avec un isolant thermique, mais au contraire avec une matière présentant une grande conductivité thermique ? (pour permettre justement aux 330°C de "traverser" la tôle et poursuivre leur chemin...).

Non. Ça ne fait que reporter le problème quelques mm plus loin. Et il faut laisser un espace suffisant entre le catalyseur et la protection pour ne pas gêner la convection.
Fais un essai en bourrant de laine de verre au droit du thermocouple et regarde la température, tu obtiendras peut-être les 300°C.
Une solution : laisser plus d'espace entre le catalyseur et la protection pour que les débris puissent tomber d'eux-mêmes.

[trebor]

Je ne connais pas le nombre d'heure de fonctionnement de ce tracteur, mais si le catalyseur est partiellement encrassé, les gaz s'écoule plus difficilement et la température peut monter au-delà de 208°C.

Une injection de gasoil plus qu'il n'en faut pourrait également provoquer une montée en température plus importante du catalyseur.

Du papier ou des herbes ou feuilles contenant des substances volatiles "essence" pourraient être plus auto-inflammable que d'autres herbes qui n'en contiennent pas ?

[RomVi]

Bonjour

Il me reste quand-même un doute : si je bloque le flux thermique par contact avec un isolant, est-ce que la température extérieure de ma paroi en tôle (environ 1,5 mm d'épaisseur) va vraiment s'élever au niveau de celle qui règne sur sa face interne ? Est-ce que je n'aurais pas plutôt cet effet en étant en contact, non avec un isolant thermique, mais au contraire avec une matière présentant une grande conductivité thermique ? (pour permettre justement aux 330°C de "traverser" la tôle et poursuivre leur chemin...).

Est-ce que tu as déjà vu un convecteur fonctionner ? La température de la résistance est à une centaine de degrés, pourtant en mettant une couverture sur le radiateur tu peux déclencher un incendie. Encore plus fort : Si tu t'enroules bien dans des couvertures tu finira par avoir de la fièvre, même si tu es en excellente santé.

Pour ton problème la température de la face interne est fixée par l'équilibre thermique imposé par le radiateur formé par cette tôle percé. Si tu bouches les trous (ici avec des feuilles) la température la plus externe va s'élever, mais ceci va avoir un impact sur l'ensemble du bilan thermique, et la température à cœur augmentera aussi, pour tendre vers la température des gaz d'échappement.

[Jmjx19]

OK, on avance...

Le phénomène de convection, je n'ai pas su le "cuisiner". Pour moi, la convection, c'est l'air chaud qui monte et qui est remplacé par l'air ambiant. Dans mon cas, il s'agirait alors d'un flux qui expliquerait le phénomène de refroidissement externe du catalyseur.

Je n'ai malheureusement pas pensé à recouvrir le thermocouple car mon raisonnement n'était pas assez avancé au moment des mesures. Si j'ai de nouveau l'occasion, je n'hésiterai pas.

Il y a bien un espace à la base entre le catalyseur et la grille de protection mais il ne faut pas compter sur la gravité pour que les débris végétaux s'en extraient systématiquement. En effet, l'apport abondant de ceux-ci et la légèreté de certains d'entre-eux (paille, foin...) font qu'on assiste à un enchevêtrement qui tient entre les parois et finit par constituer un amas solide avec les vibrations.

Merci à toi pour cet éclairage.

[Jmjx19]

500 heures (quasi neuf), catalyseur non encrassé, injection à fond puisque charge moteur à fond, auto-inflammation de l'essence = 250°C.

merci

[Jmjx19]

Bonjour



Est-ce que tu as déjà vu un convecteur fonctionner ? La température de la résistance est à une centaine de degrés, pourtant en mettant une couverture sur le radiateur tu peux déclencher un incendie. Encore plus fort : Si tu t'enroules bien dans des couvertures tu finira par avoir de la fièvre, même si tu es en excellente santé.

Pour ton problème la température de la face interne est fixée par l'équilibre thermique imposé par le radiateur formé par cette tôle percé. Si tu bouches les trous (ici avec des feuilles) la température la plus externe va s'élever, mais ceci va avoir un impact sur l'ensemble du bilan thermique, et la température à cœur augmentera aussi, pour tendre vers la température des gaz d'échappement.

Merci Romvi.

Pour l'exemple du convecteur, c'est probablement qui on bloque la convection, alors la résistance n'est plus refroidie par l'air circulant et sa température va alors s'élever, sans doute à plus de 300°C si une couverture peut prendre feu dans ce cas...
Pour la température corporelle, ça doit être un peu pareil : si on prive le corps humain de sa régulation externe, alors les calories s'accumulent...

Dans tous les cas, ce qui paraissait impossible était de créer une température plus élevée que celle qui était disponible. C'est donc quand j'ai compris qu'il ne fallait pas que je m'arrête à la t° mesurée sur l'enveloppe du catalyseur et qu'il fallait que je considère que ma source de chaleur était à l'intérieur de celui-ci que j'ai commencé à avancer.
Il me restait juste ce doute : est-ce que la chaleur traverse vraiment l'épaisseur de la tôle si on bloque sa circulation au contact d'un isolant ? Avec les explications apportées, je pense finalement comprendre que c'est justement dans ce cas-là que les t° externe et interne de la paroi seront les plus proches. Et que dans le cas de contact avec un matériau de forte conductivité thermique, on commencera à avoir des pertes puisque la chaleur s'évacue justement...

[trebor]

500 heures (quasi neuf), catalyseur non encrassé, injection à fond puisque charge moteur à fond, auto-inflammation de l'essence = 250°C.

merci

Bonjour à tous,

Depuis 2011 les moteurs Diesel doivent être équipé d'un filtre à particules (FAP), est-ce le cas pour les machines agricoles ?

Lors de la régénération du filtre à particules, celui-ci monte vers les 800°C et devient donc rouge.

J'ai lu que le papier peut s'auto-enflammer à 230°C, quand est-il pour certain végétaux biens secs ?

[Jmjx19]

Bonsoir Trebor,
La réglementation antipollution des voitures, poids-lourds et engins agricoles ne suit pas exactement la même trajectoire. Comme je l'avais dit, le tracteur dont il s'agit (de 2014) n'est équipé que d'un catalyseur de réduction des oxydes d'azote. Pas de FAP et encore moins de 800°.
Pour le papier, j'y ai bien pensé et j'avais vu différentes sources qui n'étaient pas toutes d'accord pour dire que le papier s'auto-enflamme à 230°.
Pour les végétaux (brindilles, paille...) bien secs, j'avais fait des tests sur une plaque avec des thermocouples : ça fume à partir de 280° et ça braise à 300°.

[RomVi]

Dans tous les cas, ce qui paraissait impossible était de créer une température plus élevée que celle qui était disponible.

C'est vrai, mais la température à cœur dépend de la chaleur qui arrive à s'évacuer. Si on isole le pot celle ci va augmenter.

[Jmjx19]

C'est vrai, mais la température à cœur dépend de la chaleur qui arrive à s'évacuer. Si on isole le pot celle ci va augmenter.

C'est vrai RomVi, mais dans ce cas particulier le flux de gaz chauds est particulièrement abondant (vitesse importante des gaz) et je ne sais pas si la convection qui se produit autour du pot absorbe tant de chaleur que ça.
Merci encore.

[RomVi]

Au maximum on pourra atteindre la température du gaz avant qu'il n'arrive dans le catalyseur.