Brevet FR2197645A1 — publié le 19740329

I1 est connu depuis longtemps que les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne d'automobiles et de types similaires de véhicules sont des sources de pollution qui sont en grande partie responsables de la pollution de l'air dans les villes et autres zones à population dense et c'est pourquoi on s'occupe activement de maîtriser l'émission de ces gaz afin de diminuer dans la mesure du possible la pollution de l'air due à ces sources. les convertisseurs à oxydation catalytique placés dans le système d'échappement des véhicules automobiles munis de moteurs à combustion interne sont extrêmement utiles pour réduire la pollution due à ces sources, mais les convertisseurs catalytiques usuels mis au point jusqu'à présent sont peu économiques et donc inacceptables pour l'industrie automobile et les industries similaires, Des coeurs en céramique réfractaire pour convertisseurs catalytiques ont été perfectionnés à un point où ils fonctionnent de façon assez satisfaisante et ces coeurs comportent un nid d'abeilles de très petits passages ou canaux à parois relativement minces en une matière céramique qui est relativement fragile.Pour cette dernière raison, ces coeurs doivent être montés dans leurs enveloppes ou récipients de manière à étre toujours maintenus fermement et à ne se détacher à aucun moment au point de ballotter dans les enveloppes ou récipients ce qui les damnerait à se briser, à se fissurer, à 8"écailler ou à subir vautres dommages. Les différences dans les coefficients de dilatation thermique des matières céramiques des coeurs et des matériaux métalliques des récipients ou enveloppes de ces éléments obligent à monter les coeurs à l'intérieur des récipients ou enveloppes de manière à compenser ces différences de dilatation et à empêcher ainsi ces ruptures ou écaillements des coeurs par ballottement dans les enveloppes ou récipients.On a mis au point, pour résoudre ce problème, des récipients ou enveloppes qui sont relativement complexes et, donc, peu économques, ou bien qui ne sont pas suffisa=ment durables pour résoudre de façon satisfaisante le problème des ruptures. La présente invention a donc été mise au point pour fournir des convertisseurs à oxydation catalytique du type mentionné comprenant des enveloppes ou récipients relativement durables et économiques et généralement satisfaisants par ailleurs, pour les coeurs des convertisseurs catalytiques. L'invention concerne donc un convertisseur catalytique qui comprend une première enveloppe métallique circulaire ou elliptique comportant une portion centrale généralement tronconique ou en entonnoir et des portions terminales cylindriques large et étroite, et une deuxième enveloppe métallique complémentaire de la première et comportant une première portion de forme tronconique ou en entonnoir et une deuxième portion de forme cylindrique raccordée à l'extrémité étroite de la première portion, ces enveloppes formant un récipient qui entoure un coeur catalytique cylindrique en nid d'abeilles formé d'une matière qui a une grande durabilité aux hautes températures et un faible coefficient de dilatation thermique, par exemple une matière céramique réfractaire.Le récipient est conçu pour compenser les différences de dilatation thermique de la matière du coeur et du métal de l'ensemble d'enveloppes du récipient. Un isolant thermique peut cotre prévu entre la paroi de la portion terminale cylindrique large de la première enveloppe et la périphérie extérieure du coeur, si l'on considère cela comme désirable ou opportun. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure l est une vue en élévation latérale d'une forme de convertisseur catalytique selon l'invention. La figure 2 une vue en coupe du convertisseur de la figure 1, prise généralement suivant la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 3 une autre vue en coupe du convertisseur des figures 1 et 2, prise généralement suivant la ligne 3-3 de la figure 2. Les mêmes références désignent des parties similaires sur toutes les figures. On considérera maintenant les dessins en détail; les figures t, 2 et 3 montrent un convertisseur catalytique 10 comprenant un coeur cylindrique en nid d'abeilles 11 (figures 2 et 3) en une matière céramique réfractaire, présentant une multitude de passages relativement ténus, tels que 12, qui le traversent d'une extrémité circulaire à l'autre. La périphérie extérieure du coeur 11, entre ses extrémités, est munie d'une bande substantiellement hermétique qui peut être par exemple forme de la meme matière céramique réfractaire que le coeur il lui-même. Sur la figure 2, pour plus de simplicité, les passages, tels que 12, du coeur il sont représentés seulement dans une petite région de l'extrémité du coeur représentée par la figure 2. Le coeur en nid d'abeilles il peut autre fabriqué par exemple par le procédé décrit dans le brevet des E.U.A. n 3 246 972 et on pourra se référer aux lignes 52 à 75 de la colonne 4 et aux lignes 1 à 73 de la colonne 5 dudit brevet, pour trouver un exemple concret d'un procédé de fabrication du coeur en nid d'abeilles 11. On pourra se référer aussi à la demande de brevet des E.U.A. n 280 508, déposée le 14 Août 1972, au nom de Robert F.Wiley, qui concerne une filière d'extrusion que l'on peut utiliser avantageusement avec le procédé selon le brevet précédent pour former des coeurs céramique réfractaire en nid d'abeilles comme le coeur il selon la présente invention Xprèss avoir fabriqué le coeur en nid d'abeilles Il lui-mol., on dépose un catalyseur d'oxydation sur les parois des passages tels que 12 qui s 'étendent à travers le coeur, de tels catalyseurs et leur. procédés de dépôt étant bien connus. À ce propos, on pourra se référer au brevet des E.U.A. n 3 441 381. On prévoit une première enveloppe 13 et une deuxième enveloppe 14 et l'enveloppe 13 comprend une portion centrale tronconique ou en entonnoir I 3a, une première portion terminale cy cylindrique étroite 1 3b raccordée à l'extrémité étroite de la portion centrale 1 3b et une deuxième portion terminale cylindrique large t3c présentant une première extrémité qui rejoint l'extrémité large de la portion centrale 13a. L'extrémité large dû la portion centrale I 13 de l'enveloppe 13 et la portion cylindrique 13c de cette enveloppe ont Mne périphérie de configuration régulière correspondant à la configuration de la section transversale du coeur 11, mais légèrement plus grande ainsi qu'on le verra sur la figure 3. Un anneau ou éliment annulaire 15 (figures 2 et 3) est disposé et maintenu fermement, par exemple par soudage, dans l'enveloppe 13 à la jonction des portions 13a et 13 de celle-ci et l'anneau présente une configuration périphérique et une circonférence extérieure correspondant à celles de 1' extrémité large de la portion centrale 13a et de la portion 13 de l'enveloppe 13. la circonférence intérieure de l'anneau ou élément 15 correspond par sa forme à la circonférence extérieure de anneau ou élément et la circonférence intérieure est plus petite que celle du coeur 11. L'enveloppe 14 comprend une première portion terminale tronconique ou en entonnoir I 4a et une deuxième portion terminale étroite 14b rejoignant 1' extrémité étroite de la première portion 14a. L'extrémité large de la première portion terminale 14a de l'enveloppe 14 présente une périphérie correspondant par sa grandeur et sa forme à celle de la deuxième extrémité de la portion terminale 1 3c de l'enveloppe 19 et correspondant donc aussi à la configuration en section transversale du coeur 11.Un anneau ou élément annulaire 16 est disposé et maintenu à l'extrémité large de la portion 14a de l'enveloppe 14 ou tout juste à l'intérieur de cette extrémité, la circonférence extérieure de l'anneau 16 ayant une forme périmétrale qui correspond à celle de l'anneau 15 déjà mentionné, mais en plus large, et la circonférence intérieure de l'anneau 16 correspondant aussi de préférence à celle de l'anneau 15. Cet anneau 16 est décrit davantage ci-après.Les por tions terminales 13b et14b des enveloppes 13 et 14 forment des conduits d'entrée et de sortie des gaz d'échappement et sont des- tintées à être reliées hermétiquement au système d'échappement d'un moteur à combustion interne de sorte que tout le convertisseur 10 fasse partie de ce système d'dchappement, comme cela est bien connu. La deuxième extrémité de la portion terminale cylindrique 13c de l'enveloppe 13 et l'extrémité large de la portion 14a de l'enveloppe 14 sont munies de rebords ou brides périphéri ques 13d et 14c, respectivement, dirigés vers l'extérieur, qui sont complémentaires l'un de l'autre. Le rebord ou la bride 14c est serti ou serré autour de l'anneau 16, au voisinage de sa périphérie extérieure, de manière à maintenir fermement l'anneau. Les enveloppes 13 et 14 sont, de préférence, formées d'acier ino oxydable de manière à présenter des surfaces relativement lisses, spécialement pour les faces des rebords ou brides des enveloppes, et à cause des propriétés relativement grandes de résistance à l'oxydation et du coefficient de dilatation thermique relativement faible d'un tel matériau métallique. Pour l'assemblage des diveraes parties du convertisseur catalytique 10 que l'on a décrites jusqu'ici, on dispose verticalement 1 'enveloppe 13, l'extrémité ouverte de la portion 13c de cette enveloppe se trouvant au sommet et on insère alors le coeur Il dans la portion 13c, de préférence concentriquement à celle-ci et de façon que l'extrémité intérieure (inférieure) de l'élément 11 repose contre la surface de l'anneau 15 qui se trouve alors en haut, de façon substantiellement hermétique. On prévoit alors, de préférence, une matière calorifuge ou isolante 19 dans l'espacement annulaire entre la périphérie ex térieure du coeur 11 et la surface intérieure de la portion d'enveloppe 13c, cette matière étant appliquée par coulée ou bourrage dans l'espacement annulaire. Toutefois, la matière isolante n'est pas essentielle dans l'invention0 On place alors l'enveloppe 14 par dessus l'extrémité supérieure ouverte de l'enveloppe 13, la face extérieure du rebord ou bride 14c de l'enveloppe 14 étant tournée vers la face extérieure du rebord ou bride 13d de l'enveloppe 13, de façon complémentaire mais avec espacement, et l'extrémité alors tournée vers le haut du coeur 11 butant contre la face extérieure de la bride 14c.On prévoit un premier et un deuxième éléments semi-circulaires de serrage 17 et 18, chacun de ceuxci comprenant un tronçon semi-circulaire de matière métallique relativement rigide, de préférence dtacier-inoxydable, formant une gouttière dont le côté ouvert est tourné vers le centre de l'élément de serrage et chacun de ces éléments de serrage présentant une configuration en section transversale telle que la gouttière aille en rétrécissant de ses limites extérieures vers le fond, d'une largeur un peu supérieure à l'épaisseur totale des rebords 13d et 14 c à une largeur un peu inférieure à ces épaisseurs réunies. Ces éléments de serrage tels que 17 et 18 comprennent à leurs extrémités, deux oreilles dirigées vers l'extérieur, appelées respectivement 17a, 17b et 18a, 18b.Chacune de ces oreilles présente un trou destiné à recevoir la tige d'un boulon comme expliqué ci-après. Après avoir positionné de la façon décrite ci-dessus les enveloppes 13 et 14, on dispose les éléments semi-circulaires de serrage 17 et 18 autour des portions semi-circulaires opposées des brides 13d et 14c et on insère des boulons filetés tels que 21 et 22 (figures 1 et 2) à travers ces trous, dans des paires associées des oreilles telles aue 17a et 18a, 17b et 18b. On visse des écrous appropriés tels que 29 et 24 sur les extrémités des boulons respectifs 21 et 22, à l'opposé des tettes de ceux-ci, et on amène l'une vers l'autre les enveloppes 13 et 14 en serrant ces boulons et écrous de manière à forcer plus pro fondement les portions semi-circulaires entourées et respectivement associées des brides 13d et 14c dans les portions plus étroites des gouttières rétrécies des éléments de serrage 17 et 18, comme l'homme de l'art le verra facilement.Lorsqu'on force ou que l'on tire l'une vers l'autre les enveloppes 13 et 14, au moins une région périphérique du coeur il subit une compression atpréciable. Autrement dit, on applique en des sens opposés une force appréciable de compression aux extrémités du coeur, dans une région périphérique de celui-ci, dans le but indiqué ciaprès. En service, le convertisseur catalytique de l'invention est relié au système d'échappement d'un moteur à combustion interne, de sorte que les gaz d'échappement ou émissions de ce moteur affluent par exemple au conduit ou portion cylindrique 13b de l'enveloppe 13 (petite extrémité de l'enveloppe 13), passent à travers le coeur en nid d'abeilles du convertisseur en se dirigeant vers la droite comme l'indiquent les flèches telles que 25 sur la figure 3, et sortent ensuite du convertisseur par le conduit ou portion cylindrique 14b de l'enveloppe 14 (extrémité étroite).Toutefois, il est évident que le convertisseur pourrait être relié à un système d'échappement de façon que les gaz d'échanpement passent à travers le convertisseur en sens opposé à celui qui est indiqué plus haut et que les conduits ou portions cylindriques 14b et 13b servent alors, respectivement, de conduits d'entrée et de sortie. Quand le convertisseur catalytique est relié à un système d'échappement de moteur comme on l'a mentionné et que le moteur fonctionne, les gaz d'échappement s'écoulent à travers le coeur en nid d'abeilles 11 et la température de celui-ci est portée à environ 81600 dans des conditions de fonctionnement constantes et peut parfois atteindre environ 87100. En pareil cas, les enveloppes intérieures 13 et 14 atteignent une température d'environ 5930C. Le coefficient de dilatation thermique de la matière du coeur en nid d'abeilles 11 est par exemple de l'ordre de 22,5 x îo-7/oa et, dans ces conditions, les matériaux des enveloppes 13 et 14 sont choisis de manière à avoir des coefficients respectifs de dilatation thermique de l'ordre de 10,8 x 10 6l C et de 19,8 i 10 6/a. Â mesure que la température du coeur11 stélbve par la chaleur des gaz d1 échappement, il subit une dilatation lis4~ aire et est donc soumis à des forces de compression croissantes. Toutefois, étant donné que la température de la portion 13 de l'enveloppe 15 s'élève aussi, elle subit une dilatation linéaire. On pourrait penser que cette dilatation linéaire du coeur il lui applique des forces de compression encore plus grande mais la dilatation linéaire de la portion t3c de l'enveloppe 13 tend à relåcher les forces de compression croissantes ainsi qutune partie des forces de compression primitivement appliquées aux extrémités du coeur 11. Les extrémités du coeur 11 sont libres de se mouvoir ou de coulisser sur les surfaces en contact des anneaux 15 et 16 qui butent contre les extrémités du coeur 11 et étant donné que la température de ces anneaux et du coeur s' élève et qu'ils se dilatent radialement, aucune force radiale de compression n'est appliquée au coeur.On peut donc négliger la dilatation radiale des enveloppes. En tout cas, la dilatation radiale des enveloppes 13 et 14 est sans importance et la dilatation linéaire de la portion 13 de l'enveloppe 13 est suffisante pour éviter que le oo,,,r en nid d'abeilles 11 ne soit soumis à des contraintes ou forces de compression excessives tout en maintenant les extrémités du coeur 11 en ferme contact avec les surfaces adjacentes des anneaux 15 et 16 et en empêchant le coeur 1 1 de ballotter et donc de s 1écailler, de se briser, etc. Quand le moteur dont le système d'échappement comprend le convertisseur de l'invention ralentit ensuite ou s'arrSte et que l'écoulement des gaz d'échappement est ainsi diminué ou arrêté, le coeur 11 se refroidit plus rapidement que les enveloppes 19 et 14 et les anneaux 15 et 16. Cela cause bien entendu une contraction du toueur il mais par suite des forces de comprend sion appliquées initialement au coeur, cette contraction n'est pas assez forte pour empêcher les extrémités du coeur de rester en ferme contact avec les anneaux 15 et 16. Ce contact se maln- tient aussi lorsque les enveloppes se contractent ensuite parce que leur température s'abaisse pendant le refroidissement. Lorsque tous les composants, comprenant le coeur en nid d'abeilles 11, les enveloppes 13 et 14 et les anneaux 15 et 16 reviennent à leur température initiale ou à la température ambiante, les extrémités du coeur 1 1 reviennent comme primitivement en contact ferme avec les surfaces adjacente des anneaux 15 et 16 et la force de compression initiale existe alors entre le coeur 11 et les anneaux. La matière calorifuge 26 mentionnée plus haut, qui peut être prévue dans I'espacement entourant le coeur 11, empê- che la portion 13c de l'enveloppe 13 d'atteindre une température telle qu'il puisse exister un risque d'incendie dans des conditions exceptionnelles, par exemple lorsqu'une automobile comportant le convertisseur de l'invention circule ou stationne dans une zone d'herbe relativement haute et sèche qui entre en contact avec la portion 13c de l'enveloppe immédiatement après une période de marche à vitesse relativement grande ou de fonctionnement continuel du véhicule. Il est utile de signaler que les enveloppes 13 et 14 peuvent Entre symétriques l'une de l'autre et qu'en pareil cas, une première et une deuxième moitiés de la portion cylindrique large telle que 13 de l'enveloppe 13 serait prévue en tant que partie de chacune des enveloppes 13 et 14 et que les brides telles que I 3d et 14 seraient prévues sur les extrémité. pla ce face à face des enveloppes 13 et 14, la bride, telle que 14c, étant similaire à la bride 1 3d. in pareil cas aussi, l'anneau ou élément annulaire 16 serait similaire à l'anneau ou élément annulaire 15 et serait maintenu dans l'enveloppe 14 de la même façon que l'anneau 15 est maixrtenu dans l'envelop- pe 13.Ainsi, on peut dire que le convertisseur 10 comprend une enveloppe comprenant une première et une deuxième portions tronconiques ou en entonnoir (l'enveloppe 13 comprenant les portions 1 3a et 13b et l'enveloppe 14 comprenant les portions 14a et 14b), entre lesquelles se trouvent des portions cylindriques d'enveloppe (moitiés de la portion d'enveloppe 13c) fixées l'une contre l'autre par un dispositif de fixation comprenant des éléments tels que 18 et 19 et leurs boulons et écrous associés tels que 21 et 23, 22 et 24. L'homme de l'art comprendra facilement cela d'après la description ci-dessus et les figures 1, 2 et 3.En outre, et au lieu de cela, le convertisseur 10 pourrait comprendre une enveloppe tronconique ou en entonnoir telle que 13, sans la portion cylindrique 13c de celle-ci, et une enveloppe tronconique ou en entonnoir telle que 14, une enveloppe cylindrique séparée telle que 13c étant utilisée au lieu de la portion 13c faisant corps avec 1' enve- loppe 13 comme le montrent les dessins.En pareil cas, l'enveloppe 13 serait Munie de brides aux deux extrémités et la portion 13a de l'enveloppe 13 serait munie dgune bride à son extrémité large de façon similaire à la portion 14a de l'enveloppe 14 et l'anneau 15 serait maintenu dans ou sur cette ex trémité large de façon similaire à la façon dont l'anneau 16 est maintenu daps ou sur l'extrémité large de la portion 14a de l'enveloppe 14. On utiliserait alors deux jeux dxéléments de fixation tels que 17 et 18 et deux jeux d'écrous et de boulons associés tels que 21 et 23, et 22 et 24 pour serrer les enveloppes ensemble et appliquer au coeur 11 une compression linéaire entre les anneaux 15 et 16. Be brevet des E.U.A. nO 3 441 381 décrit un convertisseur catalytique de structure plus ou moins similaire à celle de la présente invention, sauf que le coeur 15 dudit brevet n'est pas soumis initialement à une compression linéaire comme dans la présente invention. En outre, le convertisseur de l'invention n'utilise pas, dans lSespacement annulaire qui entoure le coeur 11, une toile métallique tricotée ondulée" 33, comme celle qui est utilisée dans l'espacement correspondant, dans le brevet cité. On signale encore le brevet français nO 73.16105 qui décrit un convertisseur catalytique. il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'inventionO REVE,GICADIOi;S 1. Convertisseur catalytique caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, un coeur cylindrique en une matière céramique réfractaire percé d'une multitude de passages qui vont d'une extrémité plane à l'autre et sur les parois desquels est déposé un catalyseur d'oxydation; une première et une deuxième portions métalliques d'enveloppe disposées de façon opposée et en forme générale d'entonnoir, dont les extrémités larges ont une configuration correspondant à celle des extrémités planes du coeur et un diamètre un peu supérieur à celui du coeur, les extrémités larges des première et deuxième portions d'enveloppe entourant et étant en contact de support ferme avec les bordures périphériques d'un premier et d'un deuxième anneaux métalliques, chacun de ces anneaux ayant une configuration plane qui correspond aux extrémités planes du coeur et une circonférence intérieure légèrement plus petite que celle de chacune des extrémités planes; une portion cylindrique métallique d'enveloppe qui entoure annulairement le coeur, un espacement annulaire étant prévu entre la surface intérieure de la paroi de la portion cylindrique d'enveloppe et la paroi extérieure périphérique du coeur, la portion cylindrique d'enveloppe et le coeur étant disposés entre les extrémités larges des portions d'enveloppe en entonnoir qui leur sont adjacentes et les extrémités du coeur butant contre les surfaces planes adjacentes des anneaux; et des moyens de serrage disposés autour de la périphérie extérieure des portions d'enveloppe pour tirer et maintenir ces portions l'une contre l'autre et placer sous compression une région périphérique extérieure du coeur, entre les surfaces planes adjacentes des anneaux. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur comprend une bande substantiellement hermétique entourant sa périphérie extérieure entre ses extrémités planes, 3. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'espacement annulaire prévu entre la portion cylindrique d'enveloppe et le coeur est rempli d'une matière isolante pour hautes températures. 4. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les portions d'enveloppe sont en un acier inoxydable ayant un coefficient de dilatation thermique relativement faible,