Brevet FR2138921A1 — publié le 19730105

La présente invention concerne un dispositif pour la destruction des composants nocifs des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, par utilisation de catalyseurs dispo Sé6 dans une chambre parcourue par un mélange des gaz d'échappement avec de l'air. Le nombre toujours croissant des moteurs à combustion interne dans l'industrie et sur des véhicules, rend de plus en plus pressant le problème de l'innocuité des gaz d'échappement, et indispensables des améliorations aux systèmes existants de purification de ces gaz, tels que par exemple des carburateurs spécialement conçus, des systèmes d'injection à commande électronique des moteurs de véhicules automobiles, des systèmes de purification des gaz d'échappement utilisant une post-combustion directe ou des catalyseurs placés sur le trajet des gaz brillés d'un moteur à combustion interne. Le problème à résoudre est la purification des gaz d'échappement polluants des moteurs à combustion interne, en particulier montés sur les véhicules automobiles, et contenant entre autres composants de l'oxyde de carbone, des hydrocarbures, des oxydes dtazote, des oxydes (et autres dérivés) du plomb en quanti- tés notables. Ces gaz d'échappement doivent d'abord titre débarrat- sés de leurs composants humides condensables, de la suie et des poussières de plomb, puis rendus inoffensifs par passage sur des éléments catalysants, les poussières de plomb restantes étant enfin arrdtées avec la meilleure efficacité possible avant le rejet des gaz à l'atmosphère. Les dispositifs connus sont, il est vrai, capables de détruire dans une certaine mesure les composants nocifs, mais sont loin de satisfaire aux conditions limites prescrites à la suite des essais effectués en Californie comme en Europe, sans parler de leur prix de revient élevé, en fabrication comme en entretien. Les carburateurs et dispositifs catalysants spéciaux, ainsi que les systèmes d'injection d'essence à régulation électronique, ne permettent pas non plus, par leur principe mimez de satisfaire les réglementations citées. Les troubles provoqués dans les systèmes d'allumage des moteurs à combustion interne constituent encore un autre facteur particulier d'insécurité. Le traitement des gaz d'échappement par post-combustion directe (à flamme nue) est dangereux car les températures élevées qui en résultent peuvent réagir sur les chambres de combustion en provoquant des auto-allumages, et se transmettre au véhicule et à des organes du véhicule et engendrer, en cas d'arrivée d'air insuffisante, de nouveaux gaz nocifs et de la suiez La purification par les catalyseurs actuellement connus présente également de graves insuffisances, ces catalyseurs ayant tendance à former aux températures élevées correspondantes, qui vont de 8000 à 1000 , des alumino-silicates.Ces catalyseurs ne résistent pas au-delà de 80 000 km et n'assurent pas avec certitude la destruction des composés nocifs jusqu'aux normes prescrites dans toutes les circonstances courantes de la circulation. Conformément à la présente invention, un dispositif exempt des inconvénients cités, visant à la destruction des composants nocifs des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne au moyen de catalyseurs, est caractérisé par le fait que plusieurs chambres séparables sont montées dans une enveloppe commune ltune derrière l'autre dans le sens du courant gazeux, des chambres comportant une zone contenant des catalyseurs alternant avec des chambres comportant une zone de turbulence à action catalysante qui les suivent.Le résultat obtenu est que le mélange d'air et de gaz d'échappement traverse des zones catalysantes successives, plus ou moins actives-entre lesquelles sont intercalées des zones turbulentes également catalysantes, qui produisent un ralentissement du flux du mélange de gaz d'échappement et d'air, d'où résulte un temps de séjour plus prolongé dans les zones catalytiquement actives, la surface totale de celles-ci étant intéressée gracie à la turbulence produite. Le dispositif suivant l'invention permet également un remplacement facile de ses divers éléments, ceux-ci étant montés suivant le principe du jeu de constructions. Il n'est pas limité à une forme extérieure donnée, et peut donc autre rectangulaire, circulaire ou ovale, ce qui permet son adaptation facile aux conditions d'espace très limité qui sont celles d'une voiture automobile. Les zones de catalyseur et les zones de turbulence des diverses chambres sont avantageusement disposées en éléments séparés, ce qui facilite le montage et le démontage. Dans les zones de turbulence peuvent se trouver des systèmes de tamis et/ou des catalyseurs en vrac, les uns et les autres permettant une bonne turbulence du mélange gaz d'échappement-air, le catalyseur en vrac assurant toutefois une destruction plus complète des composants nocifs. On utilise avantageusement comme catalyseurs les produits dits tamis moléculaires, qui sont traversés par le mélange gazeux, ce mélange balayant les parois des ouvertures capillaires. A l'entrée et à la sortie du dispositif, on place un filtre formé de fibres ou de fils métalliques, pouvant jouer également un rible catalytique. On peut également utiliser comme filtres à action catalytique des filtres formés de fils métalliques résistant à la chaleur, par exemple de cobalt, de nickel, de cuivre, etc. Ces filtres à fibres ou à fils métalliques, placés à l'en- trée et à la sortie de l'enveloppe, arrêtent les produits condensés, la suie et les poussières de plomb. En particulier, un tel filtre d'entrée assure la protection du catalyseur et des éléments constructifs à effet catalytique contre la salissure de leurs surfaces.Comme il peut encore se former des poussières de plomb dans la chambre de catalyse par suite du chauffage au rouge, un filtre à fibres ou à fils métalliques est prévu à la sortie pour éviter, avec le maximum de sécurité l'échappement à l'atmosphère de poussière de plomb. Le filtre d'entrée arrête la majeure partie des impuretés, mais les gaz d'échappement traversant le dispositif entraient avec eux d'autres oxydes de plomb en poussière qui sont réduits aux températures de 6500 à 700 régnant dans les éléments catalytiqués, la température minimale de réduction des oxydes de plomb étant de 4850 à S00 . Les halogénures ou oxydes de plomb libérés à l'état pul vérulent sont arrdtés ou précipités, avec les autres composés volatils de plomb ayant pu traverser le premier étage de filtrage et les éléments catalysants dans les filtres à fibres ou fils métalliques qui suivent et ne peuvent donc pas titre rejetés à l'atmosphère. Ces derniers filtres sont montés de façon à pouvoir autre introduits ou retirés par des ouvertures dans l'enveloppe, opération qui peut autre effectuée de temps en temps pour soumettre les filtres à un nettoyage complet. Suivant une autre caractéristique de l'invention, des cavités en forme de poches sont prévues dans l'enveloppe au-dessous des tamis filtrants, et comportent des ouvertures pour la vidange. Les secousses constantes du véhicule ébranlent les précipités et les résidus précipités sur les filtres, et les font tomber dans les poches à poussière ménagées au dessous de ceux-ci, ces poches étant de temps en temps vidées par l'ouverture spéciale et nettoyées, par exemple tous les 20 000 km. I1 est également possible d'activer les filtres à fibres ou à fils métalliques au moyen d'agents catalytiques, de façon que ces filtres opèrent déjà unepréoxydatioh. Les filtres à fibres peuvent autre imprégnées par trempage dans une solution catalysante chaude, par exemple à 200 , tandis que les filtres à fils métalliques peuvent être formés en fils de cuivre, de nickel ou de cobalt. Autre part, les matériaux fibreux formant les filtres peuvent être soumis à un traitement par ultra-sons, pour renforcer leur résistance à Suivant une autre catactéristique de l'invention, chacune des chambres peut comporter un chassies formant la zone de turbulence, et dans lequel sont insérés les tamis catalysants formant la zone de catalyse. Les tamis catalysants peuvent avoir une forme ronde ou polygonale. Plus particulièrement la forme polygonale permet une utilisation intégrale de l'espace disponible, les surfaces des divers éléments étant juxtaposées, ce qui est possible, par exemple, si les éléments sont hexagonaux. Les tamis catalysants constituent par eux-mêmes des éléments indépendants de la construction, maintenus assemblés par les châssis et par les tiges filetées de serrage de ceux-ci. Les chambres ainsi formées sont plus ou moins volumineuses suivant la cylindrée du moteur, et peuvent être réunies par groupes, juxtaposées, superposées ou en files, de telle sorte qu'étant étroitement réunies, elles permettent la formation d'un mélange gaz d'échappement-air facilement oxydable et une transmission thermique rapide d'un élément à l'autre, ce qui amène une efficacité élevée et régulière de l'ensemble. Pour assurer la réunion étroite et étanche, de ces éléments, le dernier chtssis dans le sens du flux gazeux et/ou également le premier châssis, est soumis à la pression d'un ou plusieurs ressorts de compression s'appuyant par leur autre extrémité sur des manchons de serrage, dans lesquelles aboutissent les tiges filetées. Les divers éléments du dispositif sont de construction très simple et peuvent facilement être montés et démontés. A cet effet, ces éléments sont serrés les uns contre les autres par des tiges filetées dont le desserrage permet le démontage des éléments et leur remplacement par insertion d'éléments neufs. On peut aussi facilement; gracie à cette disposition, augmenter ou diminuer le volume de la chambre de combustion. Un organe régulateur peut être agencé dans le conduit de sortie, pour le réglage des conditions de pression dans les zones catalysantes comme dans les zones de turbulence, sous forme d'un obturateur ou d'un papillon qui peut être commandé suivant les conditions de marche du véhicule. La formation du mélange d'air et de gaz d'échappement est avantageusement réalisée gracie à une entrée d'air secondaire à réglage continu en fonction des quantités de gaz d'échappement. L'air ainsi introduit est avantageusement réchauffé. Un catalyseur de décomposition des oxydes d'azote est avantageusement agencé dans le conduit d'entrée des gaz d'échappement, et avant entrée d'air. Ce catalyseur présente de préférence un pourcentage élevé de cuivre et de cobalt. On peut aussi faire décomposer les oxydes d'azote par le dernier étage catalysant, qui est alors à plus forte tenue en cobalt. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les chambres peuvent aller en se rétrécissant dans le sens du courant gazeux, ce qui est particulièrement intéressant avec les catalyseurs en granules, en bâtonnets ou en boudins. Dans ces conditions les quantités relativement élevées de gaz d'échappement formées pendant les périodes d'accélération du véhicule arrivent sur une couche plus large du catalyseur, tandis qu'en marche normale les deux tiers environ du catalyseur sont seulement léchés par le mélange de gaz d'échappemeht et d'air. Le mezme résultat peut autre obtenu avec un clapet oscillant monté dans le conduit d'entrée du mélange gaz-air, la position réglable de ce clapet faisant varier la section libre de passage. Ce clapet est soumis avantageusement soumis à l'action d'un ressort de telle sorte que la pression du mélange gazeux soit réglée automatiquement. Lorsque les chambres du catalyseur sont de forme ronde ou ovale, on utilise, au lieu des tamis catalysants, des catalyseurs sous forme de boudins, de bâtonnets, de billes ou de granules, obtenant ainsi une plus grande surface d'oxydation pour le mélange gaz-air, et une turbulence plus élevée, ainsi qu'un contact plus intime avec le catalyseur. Un matelas isolant entoure, soit l'ensemble des zones de catalyseur, soit chaque zone individuellement. Ce matelas, non seulement assure l'isolement thermique nécessaire empochant la transmission de la chaleur et les pertes caloriques, mais de plus amene la formation d'un rayonnement infra-rouge, d'où des températures plus élevées et constantes qui activent les éléments catalysants en assurant une oxydation efficace et régulière des gaz d'échappement Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés par les dessins annexés, dans lesquels : : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale du dispositif suivant l'invention - la figure 2 est une vue en coupe transversale suivant la ligne A - B de la Figure 1 - la figure 3 est une vue en coupe transversale suivant la ligne C - D de la figure 1 ; La Figure 4 est une coupe longitudinale d'une forme différente de réalisation de l'invention. Sur ces dessins les gaz d'échappement arrivent du moteur au dispositif par le conduit 1, comportant intérieurement un venturi 2. L'air chaud, ou secondaire, débouche en 3 à hauteur du col du venturi, en quantité variable avec les conditions de marche du moteur, par exemple entre 100 et 200 litres par minute, cette quantité étant réglée électroniquement. L'air chaud ou secondaire, après avoir franchi le passage annulaire 4, arrive au contact des gaz d'échappement, d'où turbulence et mélange intime. Le mélange gaz-air ainsi formé pénètre par une tubulure d'entrée 15 dans l'enveloppe 6 renfermant les chambres 11, 12, 13, 14 et 15. Un filtre 7 a fibres ou à fils métalliques est prévu à l'extrémité avant de l'enveloppe 6, et peut autre introduit ou enlevé par l'ouverture 8 dans l'enveloppe. Au-dessous de ce filtre 7 se trouve une cavité 9 en forme de poche munie d'une ouverture de vidage 10. A l'extrémité de sortie de l'enveloppe 6 est monté un dispositif semblable comportant également un filtre 7 à fibres ou à fils métalliques, une ouverture de montage 8 et une cavité 9 avec ouverture de vidage 10. La partie médiane de l'enveloppe 6 contient les chambres individuelles, dont chacune comporte une zone catalysante 11, 13, 15, ainsi qutune zone de turbulence 12, 14. Les zones catalysantes, 11, 13, 15 comportent chacune, comme le montre la figure 2, trois tamis catalysants hexagonaux 16, entourés d'un matelas isolant 17. Les tamis catalysants 16 sont montés chacun dans un chassies 18. Entre les zones catalysantes 11, 13 et 15 sont disposées les zones de turbulence 12 et 14, représentées à la figure 3. Ces zones présentent une section de passage supérieure à celle des zones catalysantes, de sorte que, si ces zones de turbulence sont garnies de catalyseur, elles constituent une réserve suffisante mtme pour le cas où, par suite des secousses de la marche, ces catalyseurs en vrac se tasseraient. Ces zones sont également entourées d'un matelas isolant 17. On peut aussi disposer dans ces zones de turbulence des tamis pouvant jouer un rôle catalytique. Grtce à cette alternance de zones de catalyse et de turbulence, on obtient un contact relativement prolongé du mélange de gaz d'échappement et d'air avec le catalyseur et une bonne turbulence, dtoù une oxydation pratiquement complète des composants nocifs des gaz d'échappement. Les chambres individuelles 11, 12, 13, 14 et 15 sont assemblées entre elles par des tiges filetées 19, extérieures aux zones catalysantes elles-mezmes Des ressorts de compression 20 entourant les tiges filetées 19 exercent une pression sur le dernier chåssis 18.L'autre extrémité de ces ressorts s'appuie contre des manchons de serrage 21, dans lesquelles aboutissent également les tiges filetées 194 Une clé de serrage agissant sur des tettes de vis 22 permet le réglage de la position des manchons de serrage 21, et donc des tiges filetées, ce qui modifie la tension des ressorts 20 et par suite leur pression sur le dernier chassis. On réalise ainsi le maintien d'une compression permanente sur l'ensemble formé par les catalyseurs et les éléments de construction, d'où une réunion étroite des éléments de cet ensemble permettant la compensation éventuelle du tassement du à l'abrasion du catalyseur, consécutive aux secousses du véhicule. Un système régulateur est constitué par une valine papillon 24 placée dans la tubulure de sortie 23, permettant de régler la pression régnant dans les zones catalysantes ou éléments de construction ll à 15. Dans le conduit 1 amenant les gaz d'échappement du moteur et avant entrée d'air 3, on peut également agencer une zone catalysante 11, 13, 15 pour la réduction des oxydes de l'azote. La figure 4 représente une autre forme de réalisation, suivant laquelle des chambres 11 à 14 sont disposées en superposition et vues dans le sens du courant gazeux. Cette forme présente l'avantage d'une surface relativement grande de catalyseur mise en contact avec le mélange de gaz-d'échappement et d'air, d'où un fonctionnement rapide du dispositif et une bonne oxydation des gaz d'échappement. Les chambres successives ll à 14 constituent comme précédemment des éléments assemblés en un ensemble comme un jeu de constructions et sont séparées les unes des autres par des châssis 18. Un ressort 20 exerce une pression sur le châssis supérieur, de façon à donner à l'ensemble la compacité nécessaire. Dans cette forme de réalisation, un clapet pivotant 25 est placé dans le conduit d'entrée 1 du mélange gazeux ; le réglage en hauteur de ce clapet s'effectue de l'extérieur par une vis 26. Cette soupape 25 permet de régler de façon voulue la vitesse du courant gazeux pour différentes conditions de marche du véhicule, de sorte que la décomposition des gaz s'effectue sous une pression constante. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la destruction des composants nocifs des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne au moyen de catalyseurs disposés dans une chambre parcourue par un mélange des gaz d'dcháppement avec de Itair, ce dispositif étant caractérisé par le fait que plusieurs chambres séparables (11 - 15) sont montées dans une enveloppe commune l'une derrière l'autre dans le sens du courant gazeux, des chambres comportant une zone contenant des catalyseurs (11, 13, 15) alternant avec des chambres comportant une zone de turbulence (12 > 14) qui les suivent. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les zones de catalyseurs (11 i 13 , 15) et les zones de turbulence (12 , 14) sont disposées dans des éléments de construction séparés. 3. Dispositif suivant les revendications I et/ou 2, caractérisé par le fait que, dans les zones de turbulence, (12 , 14) sont disposés un système tamisant et/ou des catalyseurs en vrac. 4. Dispositif suivant la revendication 2 et/ou 3, caractérisé par le fait que l'on utilise comme catalyseurs des tamis catalysants. 5. Dispositif suivant chacune des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'un filtre formé de fibres ou de fils métalliques, est disposé à l'entrée et/ou à la sortie de ltenvelop- pe (6). Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'un filtre formé de fibres, ou de fils métalliques, peut être introduit ou retiré par des ouvertures dans ltenveloppe. 7. Dispositif suivant les revendications 4 et/ou 5, caractérisé par le fait que ltenveloppe comporte, au-dessous d'un filtre, une cavité en forme de poche portant une ouverture pour son vidage. 8. Dispositif suivant chacune des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les chambres (11, 12, 13, 14, 15) comportent un châssis (18) formant la zone de turbulence (12, 14) et dans lequel sont disposés les tamis catalysants formant les zones de catalyseurs (11, 13, 15). 9e Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que les châssis séparés (18) sont maintenus assemblés avec les tamis catalysants par des tiges filetées (19). 10. Dispositif suivant chacune des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le dernier châssis (18) dans le sens du courant gazeux subit l'action d'un ou plusieurs ressorts de compression (20) s'appuyant par leur autre extrémité sur des manchons de serrage dans lesquelles aboutissent les tiges filetées. 11. Dispositif suivant chacune des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'une zone de catalyseur (11, 13, 15) est disposée dans le conduit d'entrée du gaz d'échappement avant l'en triée d'air (3)0 12. Dispositif suivant chacune des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qutun dispositif régulateur constitué par une vanne papillon (24) est disposé dans la tubulure (23) de sortie des gaz. 13. Dispositif suivant chacune des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que les chambres (11, 12, 13, 14, 15) vont en se rétrécissant dans le sens du courant gazeux:. 14. Dispositif suivant la revendication 1 et/ou l'une au moins des suivantes, caractérisé par le fait qu'un clapet pivotant (25), dont la position peut être réglée par une vis filetée (26) ou un ressort, est disposé dans le conduit d'entrée des gaz. 15. Dispositif suivant chacune des revendications 5 à 14, caractérisé par le fait que l'on utilise au lieu des tamis catalysants, dans le fas où l'enveloppe est de forme circulaire ou ovale, des catalyseurs sous forme de bâtonnets, de boudins ou de granules, la chambre de combustion allant en se rétrécissant dans le sens du courant gazeux. 16. Dispositif suivant chacune des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que les zones de catalyseurs (11, 13, 15) et/ou les zones de turbulence (12, 14) sont entourées d'un matelas isolant (17).