Brevet FR2246725A1 — publié le 19750502

La présente invention concerne un appareil pour le traitement catalytique des gaz et spécialement un appareil pour le traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Les produits de combustion que donnent les combustibles des moteurs à combustion interne suscitent une grave pollution at mosphérique et il a déjà souvent été proposé de traiter ces gaz d'échappement par passage sur des lits catalytiques de diverses conceptions. Le catalyseur est fréquemment déposé sur des blocus en céramique perforés disposés dans un logement convenable ménagé dans le système d'échappement. Malgré de nombreuses propositions visant à imeobiliser les blocs céramiques dans leur logement, ces derniers ne résistent pas aux conditions auxquelles le logement est exposé durant le fonctionnement du moteur pendant une durée suffisamment longue pour entre parfaitement satisfaisants. La présente invention a pour objet un appareil pour le traitement des gaz d'échappement des moteurs, qui comprend (a) une enceinte tubulaire munie de bouchages dSextrémité à chaque bout; (b) ime admission de gaz d'échappenent dans un bouchage d'extrémité et une sortie de gaz dans l'autre bouchage d'extré mit8 (c) à l'intérieur de l'enceinte, un corps catalytique eerami- que unitaire dont la forme, en coupe, est semblable à eelle de l'enceinte tubulaire, mais dont la section est plus faible que celle de l'enceinte, le corps catalytique comportant plusieurs trajets d'écoulement de gaz d'échappement entre sa face dyentrée et sa face de sortie, lesquelLes faces sont en communication pour une phase gazeuse avec l'admission de gaz d'échappement et la sortie de gaz dans les bouchages d'extrémité; (d) un espace périphérique délimité par le corps catalytique et l'enceinte; (e) une masse de fibres réfractaires inorganiques élastiques logées dans l'espace périphérique et s'appliquant de façon sensiblemént uniforme et élastique sur le corps catalytique et sur ltenceinte, (f) un espace délimité entre au moins une des faces du corps catalytique et le bouchage d'extrémité correspondant ;; (g) des dispositifs élastiques d'appui d'extrémite pontant l'espace entre le ou les bouchages d'extrémité et le corps catalytique et s'y appliquant élastiquement tout en permettant aux gaz d'entrer dans le corps catalytique et d'en sortir; de sorte que les fibres réfractaires retiennent élastiquement le corps catalytique dans l'enceinte, assurent l'isolation thermique entre le corps et l'enceinte et offrent une certaine résistance à l'écoulement des gaz entre le corps et l'enceinte et que les dispositifs d'appui d'extrémité retiennent élastiquement le corps catalytique axialement dans l'enceinte. Par enceinte tubulaire'1, on entend toute enceinte à sec tion régulière, par exemple circulaire, ovale, carrée ou rectangulaire. il est possible d'utiliser plusieurs corps catalytiques céramiques unitaires, auquel cas un dispositif élastique d'appui d'extrémité peut être inséré entre les faces en regard de corps adjacents dans l'enceinte. Lorsqu'un corps catalytique cylindrique est inséré dans une enceinte cylindrique, il est préférable de prévoir des dispositifs supplémentaires qui empochent la rotation du corps catalytique dans l'enceinte, par exemple de prévoir un organe en saillie vers l'intérieur sur la face intérieure de la paroi de l'enceinte pour venir en prise avec le corps. Dans les formes de réalisation préférées de l'invention, au moins une des faces d'extrémité de la masse de fibres réfractaires (spécialement la face adjacente au bouchage recevant l'admission de gaz) est munie d'un dispositif protégeant contre l'érosion par les gaz. Ainsi, la face d'extrémité peut être recouverte d'un ciment céramique ou garnie d'une bande de matière réfractaire comprenant, par exemple, unematière céramique ou un métal réfractaire. Le dispositif élastique d'appui d'extrémité peut également assurer cette protection de la face d'extrémité de la masse de fibres. Du fait que les fibres réfractaires doivent s'appliquer de manière élastique et uniforme sur le corps catalytique, elles doivent pouvoir être comprimées sans dégradation sensible et doivent exercer un effort résiduel lorsqu'elles sont insé- rées entre le corps catalytique et l'enceinte et pendant le service de l'appareil. Les fibres vitreuses, par exemple les fibres d'aluminosilicate ou de verre, sont généralement assez cassantes et conviennent donc aux fins de l'invention moins bien que les fibres inorganiques polycristallines qui ont des propriétés physiques supérieures, surtout aux températures élevées.Des fibres réfractaires polycristallines de petit diamètre ayant, par exemple, un diamètre moyen de 0,5 à 10/u, sont moins cassantes que des fibres plus épaisses, surtout lorsque la dimension moyenne des cris tallites dans les fibres est petite et de préférence inférieure au o centième du diamètre des fibres, par exemple de 50 à 500 A. L'ab sence de grain, c'est-à-dire de matière non fibreuse, est aussi une importante propriété aux fins de l'invention parce que ce grain abîme rapidement les fibres et leur fait perdre l'élasticité. La Demanderesse a découvert que des fibres comprenant un ou plusieurs oxydes métalliques réfractaires polycristallins conviennent éminemment, du fait que leurs propriétés physiques les rendent propres à résister à la compression et aux températures atteintes sans perte importante d'élasticité et de solidité mécanique. La Demanderesse préfère en particulier utiliser des fibres de zircone ou d'alumine polycristalline s'obtenant, par exemple, comme décrit dans les brevets belges de la Demanderesse nO 796.484, 803.116 et 768.446, du fait que ces fibres ont les diamètres et dimensions de cristallites qui se sont révélés les plus efficaces aux fins de la présente invention et sont relativement exemptes de grain. Comme indiqué dans ces brevets, des fibres d'alumine ou de zircone sont formées par conversion en fibres d'une composition d'une viscosité de plus de 1 poise qui comprend une solution aqueuse d'un composé métallique tel qu'un oxychlorure, un acétate basique, un formiate basique ou un nitrate d'aluminium et/ou de zirconium, outre une proportion mineure d'un polymère organique hydrosoluble et spécialement d'alcool polyvinylique, de polyoxyéthylène, de polyvinylpyrrolidone ou d'un polysiloxane, par séchage des fibres résultantes et par chauffage de ces fibres pour la décomposition du composé métallique en oxyde métallique et pour la décomposition du polymère. Un chauffage en présence de vapeur d'eau est songent préféré. La conversion en fibres est de préférence effectuée par un procédé de soufflage, suivant lequel on extrude la composition è convertir en fibres par un ou plusieurs orifices dans au moins un courant gazeux ayant une composante de vitesse élevée dans le sens de défilement de-la composition extrudée. Les dimensions et la forme des orifices peuvent varier beaucoup. La Demanderesse préfère un orifice dont au moins une dimension est supérieure à 50 et inférieure à 500/1. Le courant gazeux est de préférence un courant d'air et plus avantageusement d'air à la température ambiante. il est avantageux d'utiliser deux courants de gaz qui convergent au point ou près du point auquel la composition est extrudée de l'orifice, l'angle entre les courants convergents étant de préférence de 30 à 600. Au moins une partie de l'eau de la composition est éliminée par le courant gazeux et l'allure d'élimination de l'eau peut avantageusement oestre mattrisée par mélange du gaz avec de la vapeur d'eau, par exemple il est possible d'utiliser de l'air d'une humidité relative de plus de 80%. La vitesse du courant gazeux peut varier dans un domaine étendu, mais il est préférable qu'elle soit de l'ordre de 61 à 457 mètres par seconde. La pression exercée pour l'extrusion de la composition par les orifices dépend de la viscosité de la composition et du débit d'extrusion requis.La Demanderesse a decouvert que des pressions absolues de 1,12 à 7,03 kg/cm2 conviennent pour des compositions dont la viscosité atteint environ 100 poises. Le dispositif élastique d'appui d'extrémité est de préférence un organe métallique ondulé et plus avantageusement un oga- ne comprenant du tricot métallique conf8rant beaucoup de flexibilité et d'élasticité. De préférence, le dispositif drap pui d'extrémité est suffisamment comprimé pendant l'assemblage pour compenser les différences de dilatation thermique dans l'appareil de traitement des gaz d'échappement,afin qu'un effort axial résiduel soit exercé en cours de service par le dispositif élastique d'appui d'extrémité. L'appareil est assemblé de manière que le corps catalytique soit maintenu fermement mais de manière élastique dans l'enceinte lorsque les bouchages d'extrémité sont en place. Des procédés appropriés pour insérer les fibres dans l'espace périphérique entre le corps catalytique et l'enceinte afin que le corps catalytique soit maintenu avec fermeté mais élasticité sont décrits, par exemple, dans les demandes de brevets anglais de la Demanderesse no 1013/73, 3941/7i, 5019/74 et 50313/73. L'invention est illustrée avec référenceauxdessins anne xosreprésentantune vue schématique, en coupe, d'un appareil pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur. Comme le montre la Fig. 1 des dessins annexés, une enceinte tubulaire 1 comporte des bouchages d'extrémité 2 et 3. Une admission de gaz d'échappement- 4 est montée sur le boucha ge d'extrémité 2 et une sortie de gaz 5 est montrez sur l'autre bouchage d'extrémité 3. Un corps catalytique céramique unitaire cylindrique 6 est retenu axialement dans l'enceinte 1 par des supports d'extrémité annulaires élastiques 7 et 8 pontant l'espace entre le corps catalytique 6 et les bouchages d'ex trémité 2 et 3, respectivement. Des fibres réfractaires 9 retiennent élastiquement le corps catalytique 6 dans l'enceinte 1, établissent l'isolation thermique entre le corps 6 et l'enceinte 1 et offrent due la résistance à l'écoulement des gaz entre le corps 6 et l'enceinte 1. L'invention est davantage illustrée avec référence à la Fig. 2 des dessins, qui est une vue en coupe d'un appareil pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur semblable à l'appareil de la Fig. 1, mais comprenant un dispositif protégeant les faces d'extrémité de la masse de fibres contre l'érosion par les gaz. Les chiffres de référence 1 à 8 ont les meFmes significations qu > à la Fig. 1. Dans l'appareil de la Fig. 2, les supports d'extrémité annulaires élastiques 7 et 8 comprennent chacun du tricot métallique. Une bande de matière réfractaire 10, se présentant sous la forme d'un anneau, est disposée entre le support d'extrémité élastique 7 et la face d'extrémité adjacente 11 de la masse de fibres 9. Une bande semblable de matière réfractaire 12 est disposée entre le support d'extrémité élastique 8 et la face d'extrémité adjacente 13 de la masse de fibres 9. Les bandes 10 et 12 protègent les faces d'extrémité Il et 13 respectives de la masse de fibres 9 contre l'érosion par les gaz. REVENDICADIONS 1. Appareil pour le traitement des gaz d'échappement des moteurs, caractérisé en ce qu'il comprend (a) une enceinte tubulaire munie de bouchages d'extrémité à chaque bout (b) une admission de gaz d'échappement dans un bouchage d'extrémité et une sortie de gaz dans l'autre bouchage d'extrémité (c) à l'intérieur de l'enceinte, un corps catalytique céramique unitaire dont la forme, en coupe, est semblable à celle de l'enceinte tubulaire, mais dont la section est plus faible que celle de l'enceinte, le corps catalytique comportant plusiaurs trajets d'écoulement de ga d'échappement entre sa face d'entrée et sa face de sortie, lesquelles faces sont en communication pour une phase gazeuse avec l'admission de gaz d'échappement et la sortie de gaz dans les bouchages d'extrémité (d) un espace périphérique délimité par le corps catalytique et l'enceinte (e) une masse de fibres réfractaires inorganiques élastiques logées dans l'espace périphérique et s'appliquant de façon sensiblement uniforme et élastique sur le corps catalytique et sur l'enceinte (f) un espace délimité entre au moins une des faces du corps catalytique et le bouchage d'extrémité correspondant (g) des dispositifs élastiques d'appui d'extrémité pontant l'espace entre le ou les bouchages d'extrémité et le corps catalytique et s'y appliquant élastiquement tout en permettant aux gaz d'entrer dans le corps catalytique et d'en sortir, de sorte que les fibres réfractaires retiennent élastiquement le corps catalytique dans l'enceinte, assurent l'isolation thermique entre le corps et l'enceinte et offrent une certaine résistance à l'é- coulement des gaz entre le corps et l'enceinte et que les dispo sitifs d'appui d'extrémité retiennent élastiquement le corps catalytique axialement dans l'enceinte. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une face d'extrémité de la masse de fibres réfractaires est munie d'un dispositif de protection contre l'érosion par les gaz, notamment d'une bande dé matière réfractaire. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la face d'extrémité de la masse de fibres réfractaires est recouverte d'un ciment céramique. 4. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif élastique d'appui d'extrémité assure la protection contre l'érosion par les gaz. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres inorganiques réfractaires sont polycristallines. 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la dimension moyenne des cristallites des fibres est de o 50 à 500 A 7. Appareil suivant les revendications 5 et 6 ,caractérisé en ce que le diamètre moyen des fibres est de 0,5 à 10 > . 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les fibres comprennent un ou plusieurs oxydes métalliques réfractaires polycristallins, notamment de l'alumine ou de la zircone polycristalline. 9. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse des fibres est sensiblement exempte de grain. 10. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif élastique d'appui d'extrémité est un organe métallique ondulé. 11. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dispositif élastique d'appui d'extrémité comprend un tricot métallique. 12. Appareil suivant 1 'une quelconque-des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le dispositif élastique d'appui d'extrémité exerce un effort axial résiduel en cours de service.