Brevet FR2134349A1 — publié le 19721208

Les récentes réglementations législatives concernant les gaz d'échappement des véhicules automobiles exigent une diminution considérable de la quantité de constituants indésirables , et les efforts réalisés pour respecter ces réglementations ont été faits 5 simultanément sur plusieurs fronts , dont 1'un consiste dans la mise au point des convertisseurs catalytiques .Une conversion cata-lytique effective exige non seulement la réduction chimique des oxydes d'azote contenus dans les gaz d1éohapperaant maïs également l'oxydation chimique d'autres constituants des gaz û'échappement 10 tels que les hydrocarbures imbrûlés ou partiellement brûlés et 1'oxyde de carbone . L'invention a pour objet un convertisseur catalytique à lits multiples comprenant plusieurs catalyseurs enfermés dans un même boîtier de forme ramassée . Pour l'application aux automobilesale 15 premier catalyseur est constitué normalement par un catalyseur de réduction qui réduit les oxydes d'azote et. le deuxième catalyseur est normalement un catalyseur d'oxydation qui oxyde les hydrocar-.bures imbrûlés et l'oxyde de carbone . Dans ce convertisseur la section de passage des deux lits de catalyseurs est portée au ma-20 ximum, à égalité de dimension de l'ensemble et- l'appareil a pour caractéristique inhérente de donner au lit de catalyseur de réduction une température de fonctionnement plus élevée et plus uniforme . Les éléments de la structure du convertisseur comprennent un boîtier extérieur renfermant dans sa partie centrale un boîtier 25 distributeur „ Une entrée de gaz d'échappement est rsliée au boîtier distributeur et une sortie de gaz d'échappement est formés dans le boîtier extérieur . Un catalyseur de réduction est disposé contre le boîtier distributeur, de sorte que les gaz dféchappes©nx-qui pénètrent dans l'appareil traversent initialement le cataly-30 seur de réduction , Le lit de catalyseur de réduction s'étend en direction du boîtier extérieur mais il en est séparé par un étroit intervalle libre formant une chambre .Un catalyseur d.'oxydation est interposé entre ledit intervalle libre à la sortie des gaz d'échappement . Des tubes appropriés introduisent dans ledit étroit 35 intervalle libre de l'air ou une autre substance contenant de l'oxygène destiné à être utilisé dans les réactions d'oxydation . Le boîtier extérieur présente de préférence la forme d'un élément à peu près cylindrique qui est fermé à ses deux extrémités par des fonds circulaires et le boîtier distributeur présente la 40 forme d'un cylindre plus petit, monté à un certain écartement des 72 06431 2 2134349 parois du boîtier extérieur, dans la partie centrale de ce dernier . Des collets font saillie axialement vers l'extérieur sur les deux faces du boîtier intérieur mais se terminent à un certain éeartement en retrait par rapport aux fonds du boîtier exté-5 rieur po\ir ménager des chambres terminales de circulation radiale danr- la région desdits fonds , Des lits de catalyseur de réduction présentant la forme de cylindres ou de disques sont placés dans une position radialemenv intérieure par rapport aux collets et des lits de catalyseur d'oxydation , de forme toroîdale, sont 10 placés radialement à 1'extérieur des collets . Les gaz d'échappement pénètrent dans le boîtier distributeur , s'écoulant axialement de ce boîtier vers l'extérieur en traversant les lits de ■ catalyseur de réduction, puis traversent radialement les chambres terminales dans lesquelles une quantité d'air additionnelle se 15 mélange à ces gaz d'échappement , puis s'écoulent axialement vers l'intérieur en traversant les lits de catalyseur d'oxydation et, finalement, s'échappent par la sortie des gaz d'échappement . L'air additionnel pénètre de préférence dans les chambres terminales à travers de petits trous pratiqués approximativement 20 au niveau radial des collets , Les ouvertures sont orientées au moins partiellement radialement vers l'extérieur de sorte que le flux d'air supplémentaire comporte une composante orientée radialement vers l'extérieur au moment où il pénètre dans les chambres terminales .Cette composante orientée radialement vers l'exté-25 rieur est parallèle au flux de gaz d'échappement au point où l'air additionnel pénètre dans les chambres terminales . Cette forme de construction réduit au minimum le reflux ou écoulement en sens inverse et améliore le brassage de l'air additionnel et des gaz d'échappement . 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa raîtront au cours de la description . Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple : la Pig.l est une coupe verticale d'un convertisseur cataly-tique suivant l'invention comprenant un boîtier extérieur de forme 35 générale cylindrique ; cette Fig. montre les collets en saillie axiale du boîtier intérieur, les chambres de circulation des gaz adjacentes aux fonds du boîtier extérieur et le circuit d'alimentation d'air secondaire ; la Fig.2 est une coupe prise suivant la ligne 2-2 de la Fig.l 40 pour montrer la construction toroîdale des lits de catalyseur ORIGINAL 72 06431 5 2134349 d1 oxydation et la position relative de ces lits par rapport aux lits cylindriques de catalyseur de réduction placés en position centrale . Dans l'exemple de réalisation représentée, le convertisseur 5 catalytique comprend un boîtier extérieur cylindrique 10 fermé par des fonds 12 et 13. Ces fonds 12 et 13 sont bombés vers l'extérieur à leur périphérie , comme on l'a indiqué par les références 14 et 15. Une ouverture d'entrée 16 est prévue à peu près au milieu de la longueur de la paroi cylindrique du boîtier extérieur 10 10 et une sortie 18 est prévue dans cette paroi cylindrique ,en un point diamétralement opposé à l'ouverture d'entrée 16. Un boîtier intérieur cylindrique 20 est disposé en position centrale à l'intérieur du boîtier extérieur 10 .Un tube d'entrée 22 est relié à la cavité intérieure du boîtier intérieur 20 et 15 traverse l'ouverture d'entrée 16 du boîtier extérieur 10. Les fonds 24 et 26 du boîtier intérieur 20 sont pcreux pour laisser circuler les gaz et ces fonds peuvent être réalisés en toile métallique , en métal déployé ou en une autre matière- appropriée . Des collets cylindriques 28 et 30 font saillie axialement verr; 20 l'extérieur sur les côtés du boîtier intérieur 20, en entourant les fonds 24 et 26. Les collets 28 et 30 se terminent à petite distance des fonds 12 et 13 du boîtier extérieur, et radialement à l'extérieur par rapport au bord intérieur des parties bombées 14 et 15. Des pla-25 ques circulaires 32 et 34 , qui sont poreuses pour laisser circuler les gaz d'échappement, s'étendent en travers des extrémités des collets 28 et 30 respectivement et se terminent en appui contre la paroi cylindrique du boîtier extérieur 10. Les plaques 32 et 34 sont situées à petite distance à l'intérieur par rapport 30 aux fonds 12 et 13 respectivement du boîtier extérieur , pour délimiter avec ces derniers des chambres 36 et 38 de faible épaisseur pour la circulation des gaz . On peut utiliser pour former les plaques 32 et 34 le métal déployé, les toiles métalliques ou des matières analogues . 35 Un lit de catalyseur de réduction présentant la forme d'un diuque est disposé sur le côté gauche du boîtier intérieur 20, ce lit étant retenu axialement par le fond 24 et la plaque 32 et étant retenu radialement par le collet 26. De même,-'un. lit 42 de catalyseur de réduction en forme de disque est,placé,.sur le côté droit ^0 du boîtier intérieur 20, où il est retenu axialement par le fond 72 06431 2134349 26 et la plaque 34 et radialement par le collet 30. Dans une position située radialement à l'extérieur du collet 28, le convertisseur comprend un lit 44 de catalyseur d'oxydation, de forme toroîdale . Le lit 44 est retenu radialement par le col-5 let 28 et la paroi latérale cylindrique du boîtier extérieur 10 . La plaque poreuse 32 définit la face axialement extérieure du lit 44 et une plaque poreuse annulaire , disposée dans le plan du fond 24, définit la face axialement à l'intérieur de ce lit . De même, le collet 30 définit la surface radialement intérieure d'un 10 deuxième lit toroîdal 46 de catalyseur d'oxydation qui est limité axialement par la plaque poreuse 3^ et par une plaque poreuse annulaire 47. Une plaque 48 est placée adjacente à la face externe de la partie plane du fond 12, pour délimiter avec ce dernier une cham-15 bre à air 49. De même, une plaque 50 est placée adjacente à la surface externe de la partie plane du fond 13 pour délimiter avec ce dernier une chambre à air 51. Les plaques 48 et 30 forment des joints étanches à l'air à l'endroit où leurs plans jouoent les parties bombées 14 et 15. Un tube 50 est relié à la zone centrale 20 de la plaque 48 et un tube analogue 53 est relié à la 2one centrale de la plaque 50.Les tubes 52 et 53 sont réunis par une partie en Y 5^- qui est alimentée en air par une pompe à air (non représentée) entraînée p?r le moteur . De petits trous 56 sont formés dans les parties bombées 14 25 et 15, à peu près au niveau radial des collets 28 et 30, pour relier les chambres à air 49 et 51 aux chambres de circulation des gaz 36 et 38 respectivement. Les axes des trous 56 sont de préférence à peu près parallèles aux rayons des parties planes des fonds 12 et 13 mais ilr peuvent éventuellement êtf»e fortement inclinés 30 vers l'intérieur . La formation de ces trous>est simplifiée lorsque les trous sont perpendiculaires aux parties bombées 14 et 15 > et on obtient alors des résultats satisfaisants . Le convertisseur fonctionne de la fa|on suivante . Les gaz d'échappement chauds ir.sus du moteur pénètrent dans le'^ convertis-35 ;:eur par le tube d'entrée 22 et se répartissent sur la surface faciale des catalyseurs de réduction 40 et 42 sous l'effet du boîtier intérieur 20. Les gaz d'échappement's'écoulent axialement vers l'extérieur à travers les lits réducteurs 40 et 42 dans les- . 5 . quels les oxydes d'azote éventuellement contenu- dann les gaz sont 40 réduits pour donner naissance à des constituants moins nocifs . i 72 06431 5 2134349 Les gaz qui sortent des lits réducteurs s'écoulent radialement vers l'extérieur dans les chambres 36 et 38. Au moment où les gaz passent sur les bords des collets 28 et 30, ils se mélangent à une quantité d'air additionnelle à travers ^ les trous 56. Cet air additionnel ou secondaire possède une composante de vitesse parallèle aux gaz- d'échappement au moment où il pénètre dans les chambres 36 et 38, ce qui évite le reflux de l'air et des gaz et favorise la régularité et l'uniformité du brassage . Le mélange traverse axialement les lits 44 et 46 de catalyseur d'oxydation, dans lesquels l'air additionnel est utilisé pour oxyder les hydrocarbures imbrulés et l'oxyde de carbone en formant des constituants moins nocifs . Les gaz traités sortent des lits 44 et 46 pour pénétrer dans la chambre toroîdale délimitée par les boîtiers 10 et 20 et par les plaques 45 et 4Js et ils sor-15 tent finalement par l'ouverture de sortie 18. La position centrale donnée aux lits réducteurs 40 et 42 réduit au minimum les pertes de chaleur par conduction, de sorte que ces lits sont rapidement portés à la température de fonctionnement et qu'ils restent maintenus à cette température . Les lits oxydants 20 44 et 46 travaillent généralement à des températures légèrement inférieures , bien que 1'on puisse monter si nécessaire sur la surface externe du boîtier extérieur 18 une isolation appropriée pour assurer à ces lits la température de fonctionnement voulue . On peut utiliser divers types de catalyseurs et de construction 25 de lits de catalyseurs dans le convertisseur suivant l'invention . Dans le cas où l'on utilise des lits de catalyseurs monoblocs , on peut éliminer les plaques 32,3^*45 et 47. Les fonds 24 et 26 peuvent éventuellement être inutiles dans le cas où on utilise de tels lits de catalyseur monoblocs, bien qu'ils contribuent à répartir 30 les gaz d'échappement sur toute la surface des lits 40 et 42 et qu'ils puissent être utiles pour cette raison. Le lit 42 peut contenir un catalyseur différent de celui du lit 40 et le lit 46 petit contenir un catalyseur différent de celui du lit 44.En outre., les quatre lits peuvent assurer la même fonction d'oxydation ou la 35 même fonction de réduction sur différents constituants du flux de- gaz d'échappement .L'air additionnel peut être introduit en totalité ou en partie dans le flux de gaz d'échappement qui pénètre par le tube 22 mais la dilution résultante réduit alors l'efficacité des lits de catalyseur de réduction . 40 L'invention a donc pour objet un convertisseur catalytique 72 06431 2134349 contenant plusieurs lits de catalyseurs dans un même boîtier qui est d'un seul tenant de forme ramassée et d'une construction facile . Le convertisseur présente plusieurs trajets de circulation des gaz , de sorte que le colmatage ou le défaut de fonctionnement de l'un des trajets n'empêche pas l'ensemble du convertisseur de fonctionner , 72 06431 2134349 REVENDICATIONS 1-Convertisseur catalytique à lits multiples, destiné à assurer la conversion catalytique des constituants des gaz déchappement, ce convertisseur étant caractérisé en ce qu'il comprend un 5 boîtier extérieur muni d'une sortie des gaz d'échappement , un boîtier distributeur placé dans la partie centrale du boîtier extérieur et relié à une entrée de gaz d'échappement ; un premier catalyseur adjacent au boîtier distributeur, ce premier catalyseur s'étendant en direction du boîtier extérieur mais étant séparé de 10 celui-ci par un étroit intervalle libre ; un deuxième catalyseur interposé entre ledit intervalle libre et la sortie des gaz d'échappement ; et des moyens d'arrivée d'air qui communiquent avec ledit intervalle libre pour mélanger de l'air aux gaz d'échappement qui pénètrent dans ledit deuxième catalyseur . 15 2-Convertisseur suivant la revendication 1,caractérisé en ce que le boîtier extérieur est de forme générale cylindrique et que le boîtier distributeur est placé dans la partie centrale du boîtier 3- Convertisseur suivant la revendication 2, caractérisé en 20 ce que le boîtier distributeur est de forme générale cylindrique et comprend des collets saillants fixés respectivement à ses deux côtés, ces collets se terminant à une petite distance en retrait par rapport aux fonds correspondants du boîtier extérieur, le premier catalyseur comprenant un lit de catalyseur présentant la 25 forme d'un disque et placé radialement à l'intérieur de chacun des deux collets, c'est-à-dire sur chaque côté du boîtier distributeur, chacun de ces lits étant séparé du fond correspondant du boîtier extérieur par l'un desdits intervalles libres . 4-Convertisseur suivant la revendication 3, caractérisé en ce 30 que le deuxième catalyseur comprend un lit de catalyseur toroîdal placé radialement à l'extérieur de chacun des collets, de sorte que ]■?-- gaz qui sortent des premiers lits de catalyseur circulent danr lesdits intervalles libres pour atteindre les deuxièmes lits de catalyseur . -55 5-Convertirseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le premier catalyseur est un catalyseur de réduction destiné à réduire les oxydes d'azote . 6-Convertirseur suivant la revendication 5, caractérisé en ce aue le deuxiën e catalyneur est un catalyseur d oxydation destiné à 72 06431 ° 2134349 oxyder d'autres constituants des gaz d'échappement . 7-Convertisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'arrivée d'air comprennent une plaque placée dans une position adjacente à chacun des fends du boîtier extérieur 5 pour délimiter avec ce fond un passage d'arrivée d'air , les fonds du boîtier extérieur présentant des trous qui relient les passages d'arrivée d'air auxdits intervalles libres . 8-Convertisseur suivant la revendication J, caractérisé en ce que chaque fond du boîtier extérieur comporte , sur son bord r-'"i- 10 phérique , une partie bombée vers l'extérieur située radialement à l'extérieur d'une partie plane et en ce que lesdites plaques sont respectivement adjacentes aux parties planes des fonds , les plans de ces plaques coupant les surfaces internes*des parties bombées et les trous étant pratiqués dans lesdites parties bom - 15 bées . 9-Convertisseur suivant la revendication £ caractérisé en ce que les axes des trous sont à peu près parallc-^es aux rayons des fonds du boîtier extérieur et en ce que les trous sont pratiqués au niveau radial desdits collets . 20 10-Convertisseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdlts moyens d'arrivée d'air comprennent des plaques respectivement adjacentes aux fonds du boîtier extérieur pour délimiter avec ces derniers des passages d'arrivée d'air, lesdits fonds du boîtier extérieur étant percés de trous qui relient les passages 25 d'arrivée d'air auxdits intervalles libres . 11-Convertisseur suivant la revendication 10, caractériré en ce que chacun des fonds du boîtier extérieur comporte, sur son bord radial, une partie bombée vers l'extérieur située radialement à l'extérieur d'une partie plane et en ce que les plaques sont res- 30 pectivement adjacentes aux parties planes des fonds, les plans de ces plaques coupent' les surfaces internes des parties bombées et les trous étant pratiqués dans lesdites parties bombées . 12-Convertisseur suivant la revendication 11, caractérisé en ce que les axes des trous sont à peu près parallèles aux rayons 35 des fonds du boîtier extérieur et en ce que les trous sont pratiqués au niveau radial desdits collets . 13-Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier catalyseur est un catalyseur de réduction destiné à réduire les oxydes d'azote . 40 14-Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en 72 06431 9 2134349 ce que le deuxième catalyseur est un catalyseur d'oxydation destiné à oxyder d'autres constituants des gaz d'échappement .