Brevet FR2138266A1 — publié le 19730105

La présente invention se rapporte à un réacteur à action catalytique de traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, du type de ceux placés à la sortie du collecteur d'échappement, et dans lesquels le catalyseur est constitué par un métal à action catalytique ou par un dépôt de métal à action catalytique sur une surface métallique à grande surface spécifique, entrant dans la structure du réacteur. On connaît, par exemple, action catalytique réductrice des métaux et alliages tels que les aciers inoxydables au nickelchrome, éventuellement cuivrés, les alliages cupro-manganèse, cupro-cobalt, cupro-chrome et cupro-nickel, ces derniers étant également connus sous le nom de Monel. Ces métaux sont employés dans les réacteurs catalytiques sous la forme d'un remplissage de particules de tôle découpées et embouties en forme de selles, cette forme donnant un faible taux de pertes de charge pour une grande surface de contact avec les gaz. Cette solution présente l'inconvénient d'un encrassement rapidé par agglomération des particules entre elles, par suite d'une part de l'augmentation de volume propre à l'oxydation du métal et d'autre part par encrassement naturel due à l'action filtrante de l'amas de particules. Cet encrassement est d'autant plus sensible avec des essences contenant du plomb, dont l'action de colmatage des résidus d'échappement est bien connue et est une des raisons qui, jusqu'ici, excluaient l'emploi de réacteurs à catalyseurs dans les dispositifs anti-pollution. On a tenté de remédier à ces inconvénients par la construction de structures en nid d'abeilles à partir de tôles de ces alliages les les gaz traversant ces structures à travers la multiplicité de canaux ainsi formés. Si cette solution présente l'avantage d'une vitesse d'encrassement et d'augmentation des pertes de charge moindres, du fait de l'écoulement laminaire du gaz dans les canaux rectilignes de la structure ainsi formée, elle présente néanmoins l'inconvénient d'une structure plus coûteuse à réaliser, du fait de la mise en forme et l'assemblage des tôles, plus longue à monter en température, et plus difficile à maintenir à la température de réaction. A l'encontre des contacts ponctuels des particules métalliques de la solution précédente, les alvéoles des structures en nid d'abeilles ont des contacts linéaires,ou par surfaces,très importants favorisant la diffusion calorifique, ce qui ralentit la montée en température et favorise le refroidissement. Par ailleurs, les écoulements laminaires séparés ne permettent pas d'obtenir une bonne homogénéité de réaction pour la réduction des gaz. Enfin, si le taux d'encrassement se trouve ralenti par rapport à la solution précédente, il ne l'est pas suffisamment pour la durée d'existence demandée à un tel réacteur soumis à des gaz d'échappement d'essence contenant du plomb. La présente invention a pour objet un dispositif dans lequel sont combinés ces deux dispositions, ce réacteur à action catalytique est composé d'un tube central longitudinal percé d'ouvertures sur toute sa surface cylindrique, raccordé à une extrémité à la tubulure d'arrivée des gaz d'échappement, fermé à l'autre extrémité et autour duquel est enroulée une bande grillagée de tôle déployée en couches successives, et dont la surface a une activité catdytique, ce rouleau étant maintenu en place dans un récipient à section sensiblement elliptique dont le petit diamètre interne correspond au diamètre externe du rouleau, de longueur légèrement supérieure à celle du rouleau, afin de ménager aux deux extrémités de ce rouleau un passage se raccordant à l'espace libre du récipient elliptique qui forme un espace de dégagement et de détente des gaz sur lequel est raccordé la tubulure de sortie. Le rouleau de métal en tôle déployée sera constitué en un alliage à action catalytique mentionné précédemment, ou plus économiquement, de tôle déployée ordinaire sur laquelle un métal à action catalytique aura été déposé par tout moyen approprié. Les alliages mentionnés précédemment conviennent pour des catalyseurs de réduction des oxydes d'azote. On peut également par exemple par une imprégnation d'alumine de la structure de tôle déployée, réaliser des réacteurs d'oxydation. Pour réduire l'effet d'encrassement et d'érosion propre aux e-ssences contenant du plomb, le tube central perforé sera doublé intérieurement par un tube coaxial d'arrivée des gaz traversant le réacteur sur une grande partie de la longueur du tube central et débouchant sur une cavité de détente à ltextré- mité du réacteur destiné à servir de pièges aux particules métalliques lourdes. Une tôle épaisse de "coup de feu" tapissera le fond de cette cavité et supportera les effets d'érosion et de corrosion du jet direct de gaz d'échappement à haute température. Unetelle structure de réacteur présente les avantages suivants - construction simple et économique, faibles pertes de charge dru fait du dégagement des gaz du centre vers l'extérieur, à travers toute la surface périphérisque - rapidité de montée à la température de réaction des couches centrales de métal déployé recevant directement les gaz chauds et ne communiquant -avec les couches externes que par des contacts ponctuels qui en réduisent la dispersion calorifique, - facilité de maintien à la température de réaction, une enveloppe de gaz d'échappement chauds entourant l'élément à action catalytique et stopposant-à son refroidissement, - la faible vitesse et la turbulence des gaz passant à travers l'enroulement catalytique favorise la réaction, - dans le cas des essences contenant du plomb, cette faible vitesse d'écoulement combinée avec l'épurateur dynamique d'extrémité réduisent l'érosion et l'encrassement de la structure catalytique. Deux exemples de construction de réacteurs à action -cata- lytique conform à l'invention seront maintenant décrits en se référant aux dessins annexés, dans psquels - la figure 1 représente une coupe longitudinale suivant I d'un réacteur selon l'invention - la figure 2 représente une coupe transversale suivant II du même- recteIr - la figure 3 représente une version de ce même réacteur avec chambre de détente en extrémité, pour essence contenant du plomb. Le réacteur représenté aux figures I et 2 comprend un tube central 2 dans lequel les gaz d'échappement sont introduits suivant la flèche 1, ce tube est fermé à son extrémité par une tôle circulaire 3, qui, avec une tôle circulaire 4 de même diamètre mais percée pour assurer le passage du tube 2, forment des joues d'enroulement pour le rouleau de grillage en tôle déployée 5 qui est enroulé sur le tube 2, et empêchent les gaz de s'échapper latéralement en les forçant à s'échapper radialement suivant les flèches indiquées à travers le rouleau de tôle déployée 5.Une enveloppe extérieure 6 de section ovale dont le plus petit diamètre interne correspond à celui du rouleau 5 et de longueur légèrement supérieure à celui-ci contient ledit rouleau, en ménageant de part et d'autre de sa surface externe des espaces de dégagement des gaz 7 et 8 reliés entre eux par les volumes d'extrémités 9 et 10. Il en résulte que, mis à part les zones de contact diamètrales entre le rouleau de tôle déployée 5 et l'enveloppe 6, où ce contact n'est d'ailleurs qu'une série de contacts ponctuels propres aux protubérances formées par la tôle déployée, le rouleau 5 à action catalytique se trouve entouré d'une enveloppe de gaz d'échappement réchauffés par la réaction catalytique et assurant l'isolement thermique et le maintien à température de celle-ci. L'orifice d'échappement 11 des gaz peut être placé à tout endroit approprié des surfaces externes des volumes 7, 8, 9 et 10. On peut envisager également dans une variante non représentée, une sortie axiale opposée à la tubulure d'entrée qui, dans le cas de la figure 3, nécessitera une double paroi de contourement de la chambre de détente 13. Dans la variante de construction de la figure 3, le tube central perforé 2 est doublé intérieurement par un tube coaxial non perforé 12, sensiblement de même longueur par lequel s'effectue l'arrivée des gaz. Ce tube débouche dans une chambre de détente 13 en extrémité du réacteur dont la cloison faisant face à l'arrivée des gaz est renforcée par une tôle dite "coup de feu" destinée à recevoir l'érosion et la corrosion des particules contenant du plomb prcjetées par le jet direct des gaz d'échappement. Ces gaz, après tourbillonnement dans la chambre 13 et dépôt d'une partie de leurs particules en suspension, sont évacués par l'espace annulaire 15 entre le manchon perforé 2 et le tube d'arrivée 12 pour être traitées, comme précédemment, à travers l'enroulement catalytique 5. Dans cette variante de construction, la joue latérale circulaire 3 est remplacée par une cloison fermée 16 isolant complètement, mis à part l'ouverture 15, la chambre de détente du reste du réacteur. Les longueurs de tuyauterie et les dimensions du réacteur pourront être réglées pour en faire un silencieux très efficace. REVENDICATIONS 1. Réacteur à action catalytique dont la structure est caractérisée par un tube central perforé 2 d'arrivée des gaz d'échappement, fermé à une extrémité et autour duquel est enroulée en couches successives une bande grillagée en tôle déployée 5 ayant une surface à activité catalytique, dont le rouleau ainsi formé est contenu dans une enveloppe externe 6 à section sensiblement elliptique dont le petit diamètre interne correspond au diamètre externe du rouleau, et de longueur légèrement supérieure à celle dudit rouleau, un espace 7, 8, 9 et 10 de dégagement et de détente des gaz traités, sur lequel est raccordéela tubulure de sortie 11, entourant ledit rouleau dont les extrémités sont fermées par des cloisons circulaires 3, 4. 2. Réacteur selon la revendication 1, dans lequel les gaz d'échappement arrivent par un tube 12 coaxial intérieurement au tube central perforé 2, débouchant dans un volume de détente 13 en extrémité du réacteur pour être refoulés ensuite dans l'espace annulaire entre le tube d'arrivée 12 et le tube central perforé 2. 3. Réacteur selon la revendication 2, dans lequel une tôle de renforcement 14 est prévue sur la cloison du volume de détente 13 faisant face à l'orifice du tube d'arrivée des gaz 12.